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Stellvorrichtung für Verstellschaufeln an Strömungsmaschinen, insbesondere
an Wasserturbinen und Pumpen großer Leistung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zum Verstellen drehbarer Schaufeln, vorzugsweise an Wasserturbinen und Pumpen großer
Leistung. Sie ist aber auch an allen anderen Strömungsmaschinen, wie beispielsweise
an Strömungsgetrieben, Gebläsen u. dgl., anwendbar. Erfindungsgemäß ist die Achse
jeder Verstellschaufel mit einem Steilgewinde versehen, welches mit je einem zur
Schaufelachse konzentrischen und hierzu relativ nicht drehbaren, aber axial verschiebbaren
Gegengewindeteil im Eingriff steht.
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Die durch Verstelbmittel erzeugte axiale Bewegung der Gegengewindeteile
wird durch Glas Steilgewinde in -einfacher und vorteilhafter Weise in eine die Schaufeln
verstellende Drehbewegung umgewandelt. Die zur Schaufelachse konzentrischen Gewindeteile
übertragen hierbei keinerlei Biegungsbeanspruchungen wie etwa bisher übliohe Schaufelhebel
oder Zahnräder, sondern nur reimte TorsionskTäfte. Die Schaufeliachisen können daher
kleinere Durchmesser und infolge Wegfallls der Schaufelhebel, Lenkerteile od. dgl.
teilweise auch geringere Längen erhalten.. Auch das Spiel im Verstellmechanismus
wird wesentlich verkleinert, da die nur mit erheblichen Toleranzen anwendbaren Hebelgelenke,
Lenker usw.durch Gewinvdeverbindungen mit größerer Herstellungsgenauigkeit ersetzt
sind. An Stelle normaler Steilgewinde sind auch alle steilgewindeähalichen Verbindungsmittel
anwendbar, sofern sie .die geradlinige Bewegung in gleicher Weise in eine Drehbewegung
umwandeln und nur Torsions.kräfbe, aber keine Bieguugskräfte
übertragen.
Als Beispiel sei eine Verbindung angeführt, bei der in Steilgewindegängen eines
Teiles zwei in einem Gegenstück drehbar gelagerte Rollen gleiten. Selbstverständlich
brauchen die Stei.lgew in-de nicht direkt auf den. Schaufelachsen zu sitzen, sondern.
können etwa auf besonderen, mit den Schaufelachsen starr verbundenen Hülsen. oder
Bauteilen angeordnet sein.
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Es ist wohl bereits eine Schaufelverstellvarrichtung für Strömungsmaschinen
bekanntgeworden, bei der jede Schaufelachse ein Steilgewinde trägt. Hierbei besteht
aber der Gegengewindeteil in einem für alle Schaufeln gemeinsamen, schräg verzahnten
und axial verschiebbaren( Zahnrad, so daß die Schaufelachsen wie bei Ausführungen
mit gewöhnlichen Schaufelhebeln durch die Verstellkräfte auf Biegung beansprucht
werden. Bei einer weiteren bekanntgewordenen Ausführung ist ein Steilgewinde,das
ebenfalls eine axiale Vers.telIbewegung in eine Drehbewegung umwandelt, auf einer
zentralen Welle der Strömungsmaschine angeordnet; die `weitere übertragung der Versbellbewegung
erfolgt hierbei über eine an dieser zentralen Welle befestigte und mit dieser drehbare
verzahnte Scheibe, deren Verzahnung mit entsprechenden segmentartigen Scheiben an
den Schaufelzapfen im Eingriff steht. Auch hierbei werden die Schaufelachsen durch
die Verstellkräfte auf Biegung beansprucht.
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An Strömungsmaschinen wirkt die Strömung immer im gleichen Sinne,
und zwar öffnend oder schließend auf die Verstellschaufeln. Andererseits sind aber
bei manchen Ausführungsformen der Erfindung auch Kräfte vorhanden, die dauernd und
in gleicher Richtung auf die an den Verstellsch.aufeln angreifenden Stellvorrichtungen
und damit auch auf die Gegengewindeteile wirken. An Maschinen mit senkrechten Verstellschaufelachsen
sind dies beispel-s-weise die Eigengewichte der Gegengewirndeteile und der daran
angreifenden übertragungsmittel, insbesondere auch das Gewicht des. später erwähnten
Verstellringes. Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sollen nun die Steilgewinde
eine ,derartige Richtung (Links- oder Rechtsgängigkeit) erhalten, -daß die dauernd
und gleichgerichtet auf die Gegengewindeteile einwirkenden Kräfte in solcher Richtung
auf die Verstellschaufeln übertragen werden, daß sie den Strömungskräften entgegenwirken.
Auf diese Weise werden die Verstellkräfte durch die genannten Kräfte unterstützt
bzw. vergrößert, und die Verstellmittel und Übei-tragungselemente brauchen nur mehr
für kleinere maximale Kräfte bemessen zu sein. Außerdem wird die Regulierarbeit
wesentlich geringer. Die dauernd auf die Gegengew indeteile wirkenden, Kräfte können
natürlich auch zum Teiloder ganz von arndcren Quellen herrühren, etwa von vorgespannten
Federn od. dgl.
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Gemäß einer weiteren Ausbildungsform wird der Steigungswinkel der
Steilgewinde so groß gewählt, daß Selbsthemmung eintritt in der Weise, daß durch
die Gewindereibung allein oder durch diese zusammen mit dauernd wirkenden Kräften,
wie etwa den vorgenannten Eigengewichtskräften, Federkräften od. dgl., auch den
größten an den Schaufeln auftretenden Sbrömuogskräften das Gleichgewicht gehalten
wird. Im Beharrungszustand der Schaufeln ist dann keine Haltekraft für letztere
mehr erforderlich, so daß der Maschinenregler bzw. dessen Servomotor wesentlich
entlastet ist. Bei kleineren und mittleren Verstellhereichen der Schaufeln läßt
sich die seJlbsthemmende Wirkung durch Reibung allein ohne weiteres .erreichen.
Sind aber die VersteIlwinkel wie etwa an Schnellläufertarbinen sehr groß, .so würden
bei Selbsthemmung lediglich durch Gewindereibung dfie Gewindehübe zu lang. Mit Hilfe
der vorerwähnten Gewichts- oder Federkräfte od. dgl. kann auch in diesen Fällen
bei zulässigen Hubgrößen Selbsthemmung erzielt werden.
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An Strömungsmaschinen mit zur Maschinenachse parallelen V er-stell-schaufelachsen
erfolgt die Verstellung aller Gegengewindeteile parallel zueinander in gleicher
Richtung und gleicher Größe. Nach einer vorteilhaften Weiterbildung werden daher
bei dieser Schaufelanordnung alle Gegengewindeteile an einem gemeinsamen Verstellring
befestigt, der durch die VerstelImittel axial verschoben wird. Ähnlich wie durch
-den bekannten Leitschaufelverstellring an Wasserturbinen erfolgt auf diese Weise
eine vollkommen gleichmäßige Verstellung der Schaufeln. Die Gegengewindeteile sind
hierbei auf einfachste Weise starr mit dem Verstell;ring verbünden. Durch den Fortfall
der Schaufelhebel, Lenker usw. tritt beispielsweise gegenüber üblichen Leitringen
eine bedeutende Gewichts- und Kostenersparnis ein.
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Wie bereits früher erwähnt, kann bei senkrechter Maschinenachse und
entsprechender Gewinderichtung das Eigengewicht des VerstelIringes gegen die Strömungskräfte
der Schaufeln wirken und in vorteilhafter Weise die Verstellkräfte unterstützen.
Gemäß einer besonders für W asserkraftmaschiinen vorteilhaften Ausführung geht man
in dieser Beziehung noch weiter und bemißt das gesamte Eigengewicht des Verstellringes
und aller daran starr befestigten Teile so groß, daß dieses all-edn über die größten
auftretenden und öffnend wirkenden Schaufelkräfte überwiegt. Für den Beharrungszustand
der Schaufeln sind dann wohl Haltekräfte erforderlich, um ein Verstellen zu vermeiden.
Beim Ausfallen der Verstellmittelkräfte wirkt aber die Regeleinrichtunggleichzeitig
als Sicherung, da sie dann durch die Gewichtskräfte die Verstellschaufeln selbsttätig
schließt.
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Ein nach Vorstehendem ausgeführter Verstell.ring ist durch jedes der
Steilgewinde axial geführt und bedürfte theoretisch keiner weiteren Lagerung mehr.
Da die Gewinde aber verhältnismäßig kurz sind. und senkrecht zur Verschieberichtung
weit auseinanderliegen, kann insbesondere bei ei.nseitiigwirkenden Verstellkräftenein
Klemmen des Verstellringes in den Gewinden eintreten. Nach einem weiteren Vorschlag
wird daher am Verstellring eine besondere, von den Steilgewinden in axialer Richtung
entsprechend weit entfernte Axialführung
angebracht, wodurch das
Klemmen ein wandfrei vermieden wird.
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Zur Erzeugung geradliniger Bewegungen sind Servomotoren, insbesondere
hydraulische Servomotoren besonders geeignet. In vorteilhafter Weise wird daher
auch die axiale Bewegung der Gegengcwsndeteile direkt oder eindirekt durch Servomotoren,
insbesondere hydraulische Servomotoren bewirkt. Letztere können direkt arm Masch.inengehäuse
angeordnet sein, so daß die Verstellkräfte auf den kürzesten Wegen auf die Schaufeln
übertragen werden. Die beispielsweise bei Wasserturbinen übliche Gestängeverbindung
von dem neben der Turbine stehenden Regler (Servomotor) zum Turbinenleitrad fällt
dann vollkommen weg. Nach einer besonderen Ausführung kann jeder Gegengewindetell
durch einen besonderen Servomotor angetrieben sein. An Strömungsmaschinen
mit gemeinsamem Verstellring eignet sich dieser vorteilhaft zur Verstellung durch
die Servomittel. Nach einer günstigen Bauart werden hierbei entweder ein zur Maschinenwelle
konzentrischer Servomotor oder aber zwei oder mehrere Servomotoren längs des Verstellringumfanges
angeordnet. Insbesondere dürfte die erste Variante mit zentrischem Servomotor von
Vorteil seien, da bei dieser nur zentrische Verstellkräfte erzeugt werden. Ist der
Servomotor außerdem in axialer Richtung genügend weit von den Gewindeteilen entfernt,
so wird auch die besondere Axiaalführung überflüssig. Ein hydraulischer Servomotor
könnte beispielsweise als ringförmiger Zylinder mit ringförmigen Kolben ausgeführt
sein.
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An Hand der Zeichnungen, ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigt hierbei Abb. i einen erfindungsgemäß ausgeführten Leitapparat
einer stehend angeordneten Wasserspiraltu@rbnne mit gemeinsamem Verstelfring und
vier am Umfang des Verstellringes, angreifenden hydraulischen Servomotoren und Abb.2
den Leitapparat einer gleichartigen Wasserturbine mit gemeinsamem Verstellriug,
aber nur einem zentrisch zur Turbinenwellle angeordneten Servomotor.
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Nach Abb. i tragen die verstellbaren Leitschaufeln i an den, oberen
Enden ihrer Schaufelachsen 2 je eine starr befestigte Hülse mit Außensteilgewinde
3. Letzteres steht mit dem ebenfalls hülsenförmigen Gegengewindeteil 4 im Eingriff.
Sämtliche Geg engewindeteille sind an dem gemeinsamen und axial verschiebbaren Verste.llring
5 angeflanscht. Vier hydraulische Servomotoren 6 sind am Umfange des Vers.tel1rnnges
angeordnet und mittels Stehbolzen 7 auf dem Turbinengehäuse befestigt. Die Servomotoren
erhalten durch die Leitungen 8 oder 9 das vom Turbinenregler gesteuerte Drucköl.
Die Servokolben io s,ind mit dem Verstellring 5 fest verbunden und erteilen diesem
und den Gegengewindeteilen die axiale Verstelitbewegung. Zum besseren Verständnis
sind alle hierbei verschobenen Teile in der Zeichnung kreuzweise schraffiert. Es
ist leicht ersichtlich, daß dabei die nicht verschiebbaren Innengewindehülsen und
Schaufelachsen samt Schaufeln eine Drehbewegung erhalten. Um das Kanten der starr
miteinander. verbundenen verschiebbaren Teide zu verhindern, ist das Führungslager
i i zwischen Vers.tellring und Turbinengehäuse angeordnet. Die Verbindungsbolzen
12 zwischen den Gegengewindeteilen 4 und dem Verstellring 5 sind als auf Zug und
Abscherung ausgebildete Bruchbolzen ausgeführt und mit je einem Zug- und einem Scherbru.chquerschnitt
versehen. Aus der Abbildung ist weiter ein zur axialen Schaufeleinstellung dienerndes
Axiallager 15 zu ersehen. Da über der gezeigten Leitschaufel gerade ein Servozylinder
sitzt, ist die Leitschaufelachse mittels einer durch den Servomotor reichenden iStange
16 verlängert und mit einem drehbaren Lagerteil 17 versehen. Das Einstellen des
Axialspiels erfolgt durch die Schraube 18. Bei den zwischen den Servomotoren. liegenden
Schaufelachsen sind diese Einsbellager im Gegensatz zu der in der Abbildung gezeigten
Anordnung dicht über dem Verstellring 5 angebracht und ebenfalls durch .Stehbolzen
gegen das Turbinengehäuse abgestützt. Der dünnwandige Behälter 2o umfaßt die Gewindeteile
glockenförmig von unten und ist mit Öl- gefüllt. Auf diese Weise arbeiten die Steilgewinde
dauernd 'im Ölbad und ergeben geringe Reibungskräfte.
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Für Abb. 2 ist eine gleichartige Wasserspiralturbine als Beispiel
gewählt worden. Der Leitapparat weicht hierbei von, dem ersten, Beispiel nur insofern
ab, als die Verstellbewegung durch einen einzigen, zentrisch zur Turbinenachse und
am oberen Teil des Turbinengehäuses, angeordneten ringförmigen Servozylinder 21
n-mit Ringkolben 22 erzeugt. wird. Mittels mehrerer Kolbenstangen 23 wird, die Kolbenbewegung
auf den VersteLlring 5 übertragen. Die weiteren Teile des Leibapparates sind gleich
denen nach Abb. i, so daß hderfür dieselben Bezugszeichen verwendet werden konnten.
Die Leitschaufelaufhängung ist etwas vereinfacht, da nunmehr sämtliche Axiallager
dler Schaufeln. auf Stützplatten 24 angeordnet sind, die mittels Stehbolzen 25 am
Gehäuse befestigt werden. Das im ersten Beispiel gezeigte besondere Führungslager
am V erstellring ist hier nicht erforderlich, da exzentrisch wirkende Verstellkräfte
nicht auftreten können und außerdem eine hinreichend genaue Axial.führu.ng durch
den verhältniismäßig hoch liegenden ringförmigen Servokolben gewährleistest. ist.