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Wasserkraftgenerator mit senkrechter Achse, bei dem die Generatorwelle
hohle Nabenform hat Die Planung und Ausführung der Wasserkraftgeneratoren mit senkrechter
Achse haben schon zu zahlreichen Vervollkommnungsversuchen geführt mit dem Ziel,
die Konstruktion, die Aufstellung und den Betrieb dieser Maschinen mit ihrem besonders
bei geringem Gefälle bedeutenden Wasserdurchsatz zu vereinfachen und zu erleichtern.
Insbesondere suchte man eine gedrängte und wirtschaftliche Bauweise, unter gleichzeitiger
Verringerung der Bauhöhe, was ein entscheidender Faktor für die Kosten der Bauwerke
und des Betriebes ist. In gleicher Weise suchte man nach Möglichkeiten für ein Auseinandernehmen
an einzelnen Stellen, um gewisse Organe zu überwachen, ohne daß es notwendig würde,
die Turbinen- oder Generatorwelle auszubauen.
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In dieser Entwicklungslinie betrifft die Erfindung die Konstruktion
und den Aufbau des drehenden Teiles der Maschine; das Ziel ist eine Gesamtheit von
Einrichtungen, die eine wirtschaftlichere Konstruktion der Maschine, eine besonders
kräftige Verbindung des Turbinenlaufrades mit dem Generator, die Unterbringung zahlreicher
Zusatzeinrichtungen im Innern der Maschine selbst, ein teilweises Auseinandernehmen
zu periodischer Kontrolle und Instandsetzung dieser empfindlichen Teile und schließlich
eine gedrängtere Form der gesamten Maschine ermöglichen.
Man hat
bereits für Wasserkraftgeneratoren eine gedrängte Konstruktion vorgeschlagen, bei
der der Zylinder des Servomotors in der Höhe des Generatorläufers liegt, während
sein unterer Boden an einer Kupplungsendfläche einer hohlen Turbinenwelle befestigt
ist und seine zylindrische Seitenwand als Hohlwelle für die Nabe des Generatorläufers
dient, während eine Verlängerung dieser Seitenwand nach unten den Drucklagerlaufring
des Aggregats und der obere Boden den Läufer der Erregerdynamos trägt.
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In einer anderen bekannten Konstruktion ist die Nabe des Generatorläufers
am oberen Ende einer hohlen Turbinenwelle befestigt, und diese nach oben verlängerte
Nabe trägt fest mit ihr verbunden den unteren Boden des Servomotors, der auf dem
Drucklager des Aggregats ruht.
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Den Vorteilen dieser Konstruktionen steht der Nachteil gegenüber,
daß der Generatorläufer relativ zum Drucklager des Aggregats fliegend gelagert ist.
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Die Erfindung geht aus von einem Wasserkraftturbogenerator mit senkrechter
Achse, bei dem in bekannter Weise die Generatorwelle hohle Nabenform hat, mit der
eine die Polteile des Läufers tragende ringförmige Wand verbunden ist. Gemäß der
Erfindung ruht diese ringförmige Wand auf dem Drucklager des Aggregats durch Vermittlung
einer kegelstumpfförmigen hohlen Trommel, die als Teil der Hauptwelle das Drehmoment
der Turbine auf den Generator überträgt, indem ihre große obere Grundfläche an den
Läuferring angeflanscht ist, während ihre kleine untere Grundfläche, wie an sich
bekannt ist, mit dem beweglichen, an der Turbinenwelle festsitzenden Druckring des
Spurlagers fest verbunden ist. Ferner ist, wie ebenfalls an sich bekannt ist, in
dem Läuferring oben ein Deckel eingepaßt; dieser trägt einen Zentrierzapfen, der
in dem oberen Lager des Aggregats läuft und damit die Lagerung des drehbaren Teiles
im Gestell vervollständigt.
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Weitere im nachstehenden beschriebene Erfindungsmerkmale betreffen
die bauliche Ausgestaltung und gegenseitige Anordnung der einzelnen trommel-oder
ringförmigen Teile, aus denen das sich drehende Aggregat zusammengebaut ist, insbesondere
die gegenseitigen Größenverhältnisse der verschiedenen Durchmesser der Teile. Hierdurch
soll auf verschiedenen Wegen die Aufgabe gelöst werden, ohne Ausbau des Generatorläufers
oder des Turbinenlaufrades Zugang zu den inneren Teilen zu schaffen, das Drucklager
und andere Vorrichtungen zu überwachen usw.
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Diese Einrichtung gestattet gleichzeitig eine rationellere Energieleitung
von der Turbine zum Läufer des Generators und die Übertragung von dessen Gewicht
auf das Drucklager der Maschine. Die Materialbeanspruchungen sind in einem hohlen
Drehkörper günstiger als in einer massiven Welle der herkömmlichen Form, wo das
Material in der -Nähe der Drehachse zusammengedrängt ist.
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Außerdem umgrenzt die Trommeleinen zentralen Raum, in dem (wenn es
sich um eine Turbine vom Kaplantyp handelt) der Zylinder des Servomotors für die
Schaufelverstellung wenigstens teilweise untergebracht werden kann. Dieser Raum
wird durch einen Deckel abgeschlossen, der in einen Zapfen ausläuft, der sich in
einem von dem Querhaupt getragenen oberen Führungslager der Maschine dreht.
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Die Trommel, an die der Läuferring des Generators angeflanscht ist,
kann unten zugleich mit dem beweglichen Stützring des Drucklagers und mit einem
Kupplungsteller am Ende der Turbinenwelle verflanscht sein. Um das Auseinandernehmen
der Maschine zu erleichtern, kann an ihr der Endflansch einer Zwischenmuffe befestigt
sein, deren Außendurchmesser unterhalb dieses Flansches kleiner ist als der Durchmesser
der unteren Trommelöffnung; dadurch wird es möglich, zum Ausbau des Drucklagers
die Zwischenmuffe in der Trommel verschwinden zu lassen, während die Läufer von
Turbine und Generator an Ort und Stelle verbleiben.
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In einer anderen Ausführungsform besteht der drehbare Teil der Maschine
aus einem Hohlkörper, der aus miteinander verflanschten Ringen oder Trommeln besteht.
Dieser erweitert sich nach beiden Seiten von einem dieser Ringe aus, der einem zylindrischen
im unteren Maschinenlager untergebrachten Hals bildet, und die Enden dieses Hohlkörpers
sind einerseits am Turbinenrad, andererseits am Läuferring des Generators festgemacht.
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In dieser Ausbildungsform besteht der ganze drehende Teil von Turbine
und Generator aus einem Hohlkörper oder hohlen Rotor von großem Durchmesser, der
gar keine eigentliche Welle mehr enthält.
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Der den Hals des hohlen Rotors bildende Ring ist an seinem unteren
Ende mit einer zylindrischen Trommel von größerem Durchmesser vereinigt, die den
Zylinder des Servomotors bildet; diese Trommel enthält in ihrem Innern eine Querwand,
die als obere Stirnwand des Zylinders dient.
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Der den Hals des rotierenden Hohlkörpers bildende Ring ist durch eine
kegelförmige Trommel an einem zylindrischen Ring noch größeren Durchmessers aufgehängt,
der den Stützring der Maschine bildet. Er trägt den beweglichen Laufring des Drucklagers
des Rotors, und die kegelförmige Trommel ist mit einem oberen Flansch auf einem
Innenflansch des Stützringes aufgeschraubt.
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Auf den Läuferring des Generators ist eine ringförmige Scheibe aufgeflanscht;
deren Öffnung, die normalerweise von einem Deckel des hohlen Rotors verschlossen
wird, hat einen größeren Durchmesser als die unteren Ringe oder Trommeln des Rotors
einschließlich des Stützringes der Maschine.
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Der Deckel des hohlen Rotors trägt einen Drehzapfen, der im oberen
Lager der Maschine geführt wird. Dieses Lager sitzt in der Mittre einer feststehenden
Ringplatte mit einem größeren Durchmesser als ihn der Deckel hat; sie ruht in einer
kreisrunden Ausbohrung des Querhauptes.
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Es sind besondere Vorkehrungen getroffen, um .den Deckel des Rotors
vorübergehend unter der feststehenden Ringplatte anzuhängen, so daß man dass Ganze
auseinandernehmen kann, ohne daß man
den Drehzapfen aus seinem Lager
herausnehmen und das Querhaupt ausbauen ruß, indem man einfach die feststehende
Ringplatte und den daran hängenden Rotordeckel anhebt.
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Infolge dieser Einrichtung vermeidet man den lästigen Zwang, nach
jedem teilweisen Ausbau das obere Lager wieder ausrichten zu müssen, eine langwierige
und. peinlich genaue Arbeit. Für diese Arbeit sind übrigens Einstell- und Kontrolleinrichtungen
vorgesehen, mit denen man sie leicht und zuverlässig durchführen kann.
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In dem Raum zwischen dem Querhaupt und der oberen Ringscheibe des
Rotors kann man die Erregermaschine unterbringen, beispielsweise indem man ihren
Läufer außen am Umfang des Rotordeckels befestigt und ihren Ständer unter dem Querhaupt
aufhängt. Das Anheben der festen Ringscheibe und des Rotordeckels legt in diesem
Fall gleichzeitig auch den Läufer der Erregermaschine frei, so daß er leicht untersucht
werden kann. Außerdem wird die Ausdehnung der Maschine in der Höhe aufs äußerste
zusammengedrängt.
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Die Erfindung wird nachstehend in mehreren Ausführungsbeispielen beschrieben
und durch die Zeichnungen erläutert.
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Fig. I ist ein senkrechter Achsenschnitt durch einen Wasserkraftgenerator
mit senkrechter Achse mit Turbine vom Kaplantyp, erfindungsgemäß aufgebaut; Fig.
2 ist ein Achsenschnitt durch einen Wasserkraftgenerator mit senkrechter Achse ,gemäß
einer anderen Ausführungsform der Erfindung; Fig. 3 ist ein halber Achsenschnitt
einer Aus, führungsform, bei der der ganze Drehteil Turbine Generatorläufer als
hohler Rotor ausgebildet ist.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. I bezeichnet I das Fundament,
in dem das feste Gehäuse 2 des Leitapparates mit der Lagerung für den drehenden
Teil der Maschine eingebaut ist.
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Das Turbinenrad 3 ist am unteren Ende einer massiven Welle 4 befestigt;
diese läuft in einem Führungslager 5, das von diesem festen Gestell getragen wird,
und endet oben in :einem Kupplungsteller 6. Ein kegeliger Hohlkörper 8, der sich
nach oben erweitert, ist mit seiner kleineren unteren Endfläche 7, die im Durchmesser
größer ist als der Kupplungsteller 6, auf diesen aufgeschraubt. Die untere kleinere
Endfläche 7 des kegelegen Hohlkörpers 8 ist an einem Stützring 9 befestigt, der
von dem Teller 6 zentriert wird und mit den beweglichen Laufringen Io auf den festen
Laufringen II des Traglagers ruht.
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Auf der oberen größeren Endfläche des kegeligen Hohlkörpers 8 ist.
mit einem Innenflansch 12 der Läuferring 13 des Generatorrotors befestigt, dessen
Ständer 14 auf dem oberen Teil des Fundaments I ruht. Im Innern des Hohlkegels 8
.befindet sich :ein Flansch 15, auf dem der Zylinder 16 des Servomotors festgemacht
ist. Die Schubstange 17 für die Verstellung der Turbinenschaufeln geht durch eine
Axialbohrung der Turbinenwelle 4 hindurch, während 18 die hohle Antriebsstange für
den Betrieb des Servomotors ist. Ein 'Stopfen 19 verschließt ein Zugangsloch in
der Wand des Hohlkegels 8, durch das der Servomotor untersucht werden kann.
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Die hohlkegelige Trommel 8 wird oben durch einen flachkegeligen Deckel
2o abgeschlossen; auf diesen ist ein Drehzapfen 21 aufgeflanscht, der sich in einem
Lager 22 im Zentrum des Querhauptes 23 üblicher Bauart dreht. Das Querhaupt selbst
trägt den Ständer der Erregermaschine 24.
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Wie man sieht, wird bei dieser Anordnung das Rotorgewicht des Generators
und der auf das Turbinenrad wirkende hydraulische Schub durch die Trommel 8 auf
das Drucklager der Maschine übertragen.
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In der Ausführungsform nach Fig. 2 wird die Verbindung zwischen der
Trommel 8 und der Turbinenwelle 4 mittels einer Zwischenmuffe 25 mit Endflanschen
hergestellt; von diesen ist der untere, 26, im Durchmesser kleiner als der obere,
27. Der Flansch 27 ist auf einem Innenflansch 28 der kleineren unteren Endfläche
der Trommel 8 zentriert und aufgeschraubt, die Öffnung in dieser unteren Trommelendfläche
ist im Durchmesser größer als der untere Flansch 26 und der Zwischenkörper der Muffe
25. Der Flansch 26 der Muffe ist auf eine Stützfläche 29 zentriert und aufgeschraubt,
die mit dem Kupplungsteller 6 der Turbinenwelle 4 verschraubt ist und den Stützring
3o trägt, dessen. Innendurchmesser größer als der Durchmesser des Kupplungstellers
6 ist.
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Diese bereits andernorts vorgeschlagene Anordnung gestattet den Ausbau
des Drucklagers, während Turbinen- und Generatorwelle an Ort und Stelle verbleiben
können.
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Der Zylinder 31 des Servomotors besteht mit seinem Boden 32 aus einem
Stück; die Schubstange 17 für die Schaufelverstellung tritt durch den Zylinderboden
32 nach unten hindurch. An den Zylinder 31 schließt sich oben eine Schiebe 33 an,
mit der er auf dem Deckel 2o der Trommel 8 befestigt ist. Die Scheibe 33 überdeckt
:eine Öffnumg im Trommeldeckel 2o, die im Durchmesser größer ist als der obere Muffenflansch
27; dadurch wird es möglich, die Muffe 2 5 nach oben durch die Trommel 8 herauszuziehen.
Der Servomotorzylinder wird hier oben durch eine Deckplatte abgeschlogsen, die den
oberen Drehzapfen 21 des ganzen Drehteiles von Turbine und Generator trägt.
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Die Ausführungsform nach Fig. 3 stellt gewissermaßen eine Verallgemeinerung
der vorhergehenden dar, unter dem Gesichtspunkt des Aufbaues des Drehteiles eins
Turbogenerators aus einzelnen Ringen oder Trommeln In dem unteren Lager 3 ¢ des
Generators dreht sich ein Ring 3 5, der sich nach unten erweitert und mit einem
Außenflansch 36 an dem Außenflansch 37 eines zylindrischen Ringes 38. befestigt
isst. Dieser bildet den Zylinder für den Servomotor zur Schaufelverstellung,des
Turbinenrades 3 und ist mit einem unteren Flansch 39 an diesem Rad befestigt. Eine
innere Wand 40 im Grunde des Ringes 35 schließt den Zylinder 38 nach oben ab. Der
Servomotor wird durch Kanäle, die nicht dargestellt sind, in geeigneter Weise mit
Öl versorgt.
Wie man sieht, hat die Turbine keine Vollwelle üblicher
Art. Mit dem Läuferring I3 des Generators ist sie durch andere Ringe oder Trommeln
verbunden, die miteinander verflanscht sind: so ist ein vollständiger Hohlkörper
oder hohler Rotor entstanden, der sich von dem Ring 3 5 aus, der gewissermaßen den
Halszapfen des Ganzen darstellt, nach oben hin ständig erweitert.
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Das obere Ende des Ringes oder Rotorhalses 35 ist unterhalb des Innenflansches
4I einer Kegeltrommel 42 angeschraubt; diese ruht mit einem oberen Außenflansch
43 auf einem inneren Zwischenflansch 44 einer zylindrischen Trommel 45. Diese Trommel
45 bildet den Stützring der Maschine. Sie endet oben in einem Außenflausch 46, und
dieser ist auf einen Innenflansch 47 aufgeschraubt, der die kleinere Endfläche einer
sich stark nach -oben erweiternden kegelstumpfförmigen Trommel 48 bildet; diese
selbst endet oben in einem Außenflansch 49, der auf den Innenflansch 5o am Ring
I3 des Generatorläufers 13 aufgeschraubt ist.
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Die Deckel- oder Ringscheibe 20, die oben in den Ring 13 eingepaßt
und mit ihm verflanscht ist, hat wie in der Ausführung nach Fig. 2 eine Öffnung
51, deren Durchmesser größer ist als der Außendurchmesser des Flansches 46 am Stützring
45 der Maschine. Der Deckel 52, der diese Öffnung eingepaßt verschließt und auf
die Ringscheibe 2o aufgeschraubt ist, nimmt in einer kreisrunden Ausdrehung eine
Lagerplatte 53 auf, auf der mittels eines Flansches 54 ein Drehzapfen 55 gehalten
wird, der das obere Ende des Rotorkörpers bildet. Eine Axialborhrung 56 geht durch
den Zapfen 55,' die Lagerplatte 53 und den Deckel 52 hindurch.
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Der Flansch 54 des Zapfens 55 ist kegelförmig abgeschrägt; ein Spannring
57 mit einer entsprechenden kegeligen Ausbohrung kann diesen Flansch mittels Schrauben
58, die durch größere Löcher dieses Spannringes hindurchgehen, auf dem Deckel 52
festspannen. Die Berührungsflächen zwischen der Lagerplatte 53 und dem Flansch 54
liegen etwas schräg zur Rotorachse, daher kann man durch eine Drehung der Lagerplatte
unter dem Flansch des Zapfens dessen axiale Richtung relativ zur Gesamtachse des
Rotors justieren.
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Das Lager für den Zapften 55 ist auf einen Stützkranz 6o aufgeflanscht,
der ein Loch 6I in der Mitte des Querhauptes 62 schließt. Der Durchmesser des Loches
61 ist größer als der Außendurchmesser des Deckels 52 des Rotors; daher kann man
den Deckel 52 und alle sich nach unten anschließenden Ringe oder Trommeln bis zum
Stützring 45 der Maschine, diesen eingeschlossen, durch das Loch 61 nach oben herausnehmen.
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Es kann von Vorteil sein, gewisse Einrichtungen, speziell die Erregermaschine,
in dem Raum zwischen dem Querhaupt 62 und dem Deckel 52 des hohlen Rotors unterzubringen:
dann trägt der Rotordeckel 52 den Läufer 63 der Erregermaschine, während ihr Ständer
64 unterhalb des Querhauptes 62 rund um das Loch 61 festgemacht ist. Eine solche
Anordnung soll aber nur als Beispiel einer Ausführungsmöglichkeit genannt sein:
Ständer und Läufer der Erregung könnten auch anders angeordnet sein, sei es innerhalb
des Durchmessers des Loches, so daß der Ständer unter dem Stützkranz 6o befestigt
ist, oder außerhalb dieses Lochdurchmessers, indem der Läufer der Erregung auf der
Ringscheibe 20 sitzt. Man kann auch die übliche Anordnung beibehalten, bei der die
Erregermaschine oberhalb des Querhauptes sitzt; ihr Läufer ist alsdann auf einer
Verlängerung des Drehzapfens 55 montiert.
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Offensichtlich ist bei dieser Bauweise mit einem vollständig hohlen
Rotor oberhalb des Turbinenrades in dem Rotor selbst ein großer Innenraum verfügbar,
der besonders leicht zugänglich ist. In diesem Innenraum lassen sich verschiedene
Zusatzeinrichtungen der Maschine unterbringen: Schmiervorrichtungen, Pumpen usw.
Ein so gebauter Rotorkörper zeigt große Starrheit und ist Verformungen kaum ausgesetzt.
Diese Eigenschaft, vom Standpunkt der Konstruktion aus ein gewisser Vorteil, verlangt
trotzdem eine peinlich starre Ausrichtung des unteren und des oberen Lagers und
eine einwandfreie rechtwinklige Lage der Zapfenstirnflächen zur idealen Achse des
Rotors.
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Der Zusammenbau und die Einstellung des unteren Lagers und des Drucklagers.
sind in gewohnter Weise vorzunehmen und bieten keine besonderem Schwierigkeiten.
Der obere Zapfen 55 aber, der vom unteren Lager 34 ziemlich weit entfernt ist, könnte
infolge der verschiedenen gegenseitigen Zentrierungen der einzelnen Ringe oder Trommeln
eine stärkere und nicht mehr zulässige Abweichung gegenüber der Achse des Halszapfens
35 bekommen, da sich die unvermeidlichen Fehler addieren können.
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Zum präzisen Einbau des Zapfens 55, sowohl der Lage wie der Richtung
nach, dienen eine Rohrlupe 65, die man optisch in der Achse des Zapfens 55 im Innern
seiner Bohrung 56 einzentriert, und ein Fadenkreuz 66, das auf einem Kegelstumpf
oder einem unverformbaren Dreifuß 67 befestigt ist, der sich in der Trommel 42 unterbringen
läßt, wobei geeignete Marken die Möglichkeit bieten, diesen Dreifuß in zwei zum
Eingang des Halses 3 5 symmetrischen Stellungen aufzustellen, dergestalt, daß sich
in diesen beiden Stellungen das Fadenkreuz genau in die Achse des Halses einstellt.
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Nun regelt man die Achsenneigung des Drehzapfens 55 ein, indem man
die relative Ausrichtung seines Flansches 54 auf der Lagerplatte 53 vornimmt; die
Einspannung nach der Seite nimmt man vor, indem man ihn seitlich verschiebt, wobei
das Spiel der Schrauben 58 in ihren Durchgangslöchern von Nutzen ist, bis die Mitte
des Fadenkreuzes 66 für beide Stellungen in der Achse der Rohrlupe 65 erscheint.
Unter diesen Umständen ist man sicher, daß. der Drehzapfen in der Achse des Rotors
und des unteren Lagers 34 steht: so kann man nun den Spannring 57 festziehen, das
Lager 59 nach dem so eingestellten und festgezogenen Zapfen justieren. und an dem
seinerseits gegenüber dem Querhaupt 62 festgespannten und beispielsweise durch Paßstifte
gesicherten Stützkranz 6o fixieren.
Hat man diese Schritte einmal
durchgeführt, so braucht man sie nicht zu wiederholen. Die Einstellung des oberen
Lagers kann beibehalten werden, wenn man zum Innern des Rotors Zugang sucht, dank
dem Kunstgriff, der darin besteht, provisorisch und vor jedem Auseinandernsehmen
den Rotordeckel 52 an dem festen Stützkranz 6o zu befestigen. Man kann hierzu beispielsweise
mehrere Zuganker 68 benutzen, die man in Löchern einschraubt, die man zu diesem
Zweck in dem Rotordecke1 52 vorgesehen hat; danach läßt sich der Stützkranz 6o gemeinsam
mit dem Deckel 52 und dem in seinem Lager sitzenden Drehzapfen 55 anheben. Beim
Wiederzusammenbauen genügt es, wenn der Rotordeckel 52 in der Ringscheibe 2o passend
zentriert ist und der Stützkranz 6o wieder in die markierte Stellung gegenüber dem
Querhaupt zurückgebracht wird.
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Wenn der Rotor offen ist, so sind seine inneren Organe zugänglich.
Außerdem kann man nach Feststellung der Turbine und des Generatorringes die Trommel
42 ausbauen, um .das Lager 34 freizulegen, und den Stützring 45 herausnehmen, um
zum Drucklager zu gelangen, da diese Teile, wie gezeigt wurde, durch die Öffnungen
5I und 61 heraus, genommen werden. können.