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Kupplung mit verschiebbarem Zahnkranz
Die Erfindung betrifft eine Kupplung zum Verbinden und Lösen einer Pumpe, z. B. einer Speicherpumpe und einer Wasserturbine während des Betriebes bei voller Drehzahl des Maschinensatzes. Verwendet wird sie bei Pumpspeicher-Maschinensätzen von Wasserkraftwerken, wo mit der Wasserturbine ein Synchrongenerator gekuppelt ist, welcher ausserhalb der Hauptbedarfszeiten als Asynchronmotor arbeitet.
Bisher sind verschiedene Ausführungen von Kupplungen zwischen Pumpe und Turbine bekanntgeworden. Die Verbindung erfolgt z. B. durch feste, mechanische, hydraulische oder elektromagnetische Kupplungen in horizontaler oder vertikaler Ausführung. Diese Kupplungen haben eine Reihe von Nachteilen. Die Pumpe arbeitet z. B. bei fester Kupplung stets als Ventilator ; dies verursacht einen hohen Energieverlust, wodurch der Gesamtwirkungsgrad des Maschinensatzes herabgesetzt wird. Bei mechanischen Kupplungen ist es für die Ein- oder Ausrückung nötig, die Drehzahl der Turbine auf ein Minimum herabzusetzen und dann wieder allmählich auf die volle Drehzahl zu erhöhen.
Dies widerspricht den normalen Anforderungen des Einrückens während des Betriebes, da die an das Netz angeschlossene, mit der Turbine festgekuppelte Synchronmaschine dabei ausser Tritt fällt. Zum hydraulischen Anwerfen der Pumpe wird gewöhnlich eine Peltonturbine verwendet, welche unter dem Unterwasserspiegel arbeiten muss ; dies erfordert ein kostspieliges Auspumpen des Wassers aus der Turbinenkammer. Elektromagnetische Kupplungen können für grosse Leistungen, welche bei Pumpspeicher-Maschinensätzen in der Regel in Betracht kommen, nicht verwendet werden.
Es ist ferner bekannt, anstelle einer Turbine zum Anwerfen einer belüfteten Pumpe einen synchronsierten Asynchronmotor zu verwenden, der dann mittels einer Zahnkupplung an den Hauptgenerator angekuppelt wird. Auch Kupplungsanordnungen, bei denen die Kupplung innerhalb des Rotors der Anwurfmaschine gelegen ist, sind schon vorgeschlagen worden. In allen diesen Ausführungen bereitete jedoch die Betätigung der Kupplung zahlreiche Schwierigkeiten.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu vermeiden. Sie besteht darin, dass bei einer Kupplung mit verschiebbarem Zahnkranz zum Anlassen von Pumpspeicher-Maschinensätzen von Wasserkraftwerken mittels eines synchronisierten Asynchronmotors die Betätigung eines Zahnkranzes durch einen im Rotor des synchronisierten Asynchronmotors axial verschiebbaren Differentialkolben erfolgt, der in axialer Richtung durch ein Rohr verlängert ist, das am Ende einen Hilfskolben trägt, welcher in einer axialen Bohrung der getriebenen Welle verschiebbar ist. Diese Welle ist zur Zuführung und Abführung des Druckmittels einerseits zur grösseren Fläche des Differentialkolbens durch eine axiale Bohrung und anderseits zur kleineren Fläche des Differentialkolbens durch ein Rohr und durch einen in diesem Kolben ausgebildeten Kanal vor und hinter dem Hilfskolben mit Bohrungen versehen.
Durch diese Massnahmen kann die vorgeschlagene Kupplung hohe Leistungen übertragen und die Herstellung der Verbindung zwischen Pumpe und Turbine sowie deren Trennung ist bei voller Drehzahl mit einem minimalen Energieaufwand möglich.
Der Erfindungsgegenstand ist in den beiliegenden Zeichnungen in einer beispielsweisen Ausführungsart
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schematisch dargestellt, wobei Fig. l einen vertikalen Schnitt durch die Kupplung darstellt und Fig. 2 die Gesamtanordnung der Kupplung veranschaulicht.
Die erfindungsgemässe-elektromotorische Kupplung besteht aus einem gegebenenfalls zweiteiligen Rotorkörper 1, welcher in seinem Oberteil mit einem Nutenkranz 2 versehen ist. Der Körper 1 ist als Arbeitszylinder mit zwei ungleichen Zylinderflächen ausgeführt. Die kleinere Zylinderfläche hat Dichtungsringe 5 und in ihr ist ein Differentialkolben 6 mit Dichtungsringen 7 geführt. In den Nuten des Kranzes 2 ist eine Verzahnung 8 verschiebbar angeordnet, welche beim Ausrücken der Kupplung in den Kranz 2 und beim Einrücken der Kupplung in einen Nutenkranz 9 einer Nabe 10 geschoben wird.
Der Differentialkolben 6 kann auch mit zweifacher Verzahnung versehen werden, u. zw. mit einer äusseren und einer inneren Verzahnung, wobei die äussere in die Verzahnung einer Pumpennabe 20 und die innere in die Verzahnung der Turbinennabe 10 eingreift. Zur Verhütung des Schlüpfens sind die Kränze 2 und 9 mit Federkeilen 11 versehen. Der Kolben 6 hat an seinem Unterteil ein Öl-Zuführungsrohr 12, durch welches mittels der Bohrung 13 und der Kanäle 14 des Kolbens 6 Drucköl zur Ringfläche 3 zugeführt wird. Das Rohr 12 ist frei in eine axiale Bohrung 27 einer Welle 15 hineingeschoben und an seinem unteren Ende mit einem Kolben 16 versehen.
Die Welle 15 ist in ihrem unterhalb des Kolbens 16 befindlichen Teil mit einer radialen Bohrung 17 versehen, durch welche das Drucköl über ein Ölzuführungslager 18 zur Fläche 3 des Kolbens 6 geleitet wird, ferner mit einer in der Welle 15 oberhalb des Kolbens 16 befindlichen radialen Bohrung 19, durch welche das Drucköl über den durch die Bohrung 27 der Welle 15 und das Rohr 12 gebildeten Ringkanal zur Fläche 4 des Kolbens 6 zugeführt wird. Der Körper 1 der Kupplung ist mit Hilfe von Passschrauben 21 mit einer Nabe 20 verbunden. Die Verbindung der Pumpenwelle 15 mit der Nabe 20 ist wie üblich z. B. mittels Konus und Schraubenmutter 22 durchgeführt. Eine Turbinenwelle 23 ist auf ähnliche Weise z. B. mittels Konus und Schraubenmutter 24 mit der Nabe 10 verbunden.
Der Nabenkörper 1 der Kupplung ist, falls dieser geteilt, mit einem Schrumpfring 25 versehen, welcher zum Zusammenziehen beider Hälften des Körpers 1 dient. Auf diesem Schrumpfring 25 sind die Rotorbleche angebracht, welche von dem Stator 26 umgeben sind. Die jeweilige Lage des Kolbens 6 im ein-oder ausgerückten Zustande wird durch einen mit einer Zugstange 29 betätigten Zeiger 28 angegeben.
Die Kupplung der Pumpe mit der Turbine bzw. mit dem Synchrongenerator erfolgt derart, dass bei voller Drehzahl des Generators die Welle 15 der luftgefüllten, d. h. wasserfreien Pumpe durch den Rotor 1 des asynchronen Elektromotors aus dem Stillstand allmählich in Drehung versetzt wird und nach Erreichung der vollen Drehzahl des Generators mit diesem synchronisiert wird. Die Nabe 10 der Turbine und der Rotor 1 sind gegeneinander derart angeordnet, dass sich die Zähne 8 bei voller Synchrondrehzahl gegenüber den Nuten des Kranzes 9 befinden. Die Einstellung der Zähne 8 gegenüber den Nuten des Kranzes 9 kann auch auf andere Weise durchgeführt werden, z. B. durch Verschiebung der magnetischen Achse des Kupplungselektromotors.
Nach Erreichen der vollen Synchrondrehzahl des synchronisierten Asynchronmotors und des Generators (der Turbine) wird die mechanische Verbindung derart durchgeführt, dass durch das Drucköl, welches durch die Öffnungen 19', 19 und durch den Ringkanal 27 unter die Fläche 4 des Kolbens geleitet wird, der Kolben 6 mit seiner Verzahnung 8 in die Nuten des Kranzes 9 gedrückt wird. Somit wird eine starre Verbindung erreicht, welche imstande ist, das entsprechende Drehmoment zu übertragen. Dann wird der Asynchronmotor abgeschaltet, die Pumpe mit Wasser gefüllt und der Maschinensatz als Pumpwerk in Betrieb gesetzt.
Beim Abstellen der Pumpe wird umgekehrt verfahren, d. h., die Pumpe wird mit Luft gefüllt, der Asynchronmotor wird eingeschaltet und das Drucköl wird durch die Öffnungen 17', 17 durch das Rohrinnere 13 und weiter durch die Kanäle 14 zur Ringfläche 3 des Differentialkolbens 6 geführt. Dabei wird der Kolben 6 aus der Verzahnung 9 in seine tiefste Lage geschoben. Dann wird der Asynchronmotor abgeschaltet.
Die Erfindung kann auch derart angewendet werden, dass die Verschiebung des Kolbens 6 durch das Rohr 12, welches durch die ganze Pumpenwelle 15 reicht, mechanisch zu betätigen ist. Das als Steuerstange ausgebildete Rohr 12 ist dann an seinem unteren Ende mit einem hydraulischen Zylinder und Kolben versehen, welch letzterer die Steuerstange verschiebt, wobei sie in der Bohrung 27 frei geführt wird und das unter oder über den Hilfskolben geleitete Drucköl die Verschiebung verursacht.
Der Rotorkörper 1 muss nicht geteilt sein, sondern kann aus einem Stück bestehen. Dadurch entfällt der Schrumpfring 25. Auch der Kolben 6 kann verschiedenartig ausgeführt und auch seine Verschiebung abweichend hervorgerufen werden. Das Rohr 12 kann mit demKolben6 aus einem einzigen Stück bestehen oder auch abnehmbar befestigt werden. Dabei kann die Nabe 20 der Kupplung mit einer Einlage, welche den Zutritt zum Rohr 12 ermöglicht, versehen werden. Diese Anordnung ist bei Herstellung des Körpers 1 aus einem einzigen Stück vorteilhaft und ermöglicht die leichte Zerlegung der Kupplung.
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Die Nabenkörper 10 und 1 können auch so angeordnet werden, dass beide Teile z. B. mittels Passschrauben 30 und Montierstifte fest verbunden werden, wodurch die Ausrückungstätigkeit der Kupplung ausgeschaltet wird. Diese feste Verbindung hat den Vorteil, dass im Falle irgendwelcher Schwierigkeiten, z. B. bei Beschädigung der Kupplung, Ausfall des Stromes, Versagen des Öldruckes u. dgl., sich eine feste Verbindung der Pumpe mit der Turbine herbeiführen lässt.
Durch die Erfindung wird ein wesentlicher Fortschritt gegenüber dem bisherigen Stand der Technik vor allem dadurch erzielt, dass durch die ölgesteuerte Einkupplung bei Verwendung eines synchronisierten Asynchronmotors eine gänzlich stossfreie, ruhige, schnelle und einwandfreie Verbindung der Pumpe mit der Turbine bei voller Drehzahl beider Maschinen erreicht wird, wobei die Übertragung der vollen Belastung des Maschinensatzes erst bei der festen Verbindung beider Wellen erfolgt. Die Kupplung zeichnet sich durch ihre Einfachheit und leichte Betätigungsmöglichkeit bei niedrigem Öldruck aus. Die Verluste zufolge einer Undichtheit entfallen und die Steuerung der ganzen Einrichtung lässt sich durch Fernbetätigung auch automatisch durchführen.
Ein weiterer grundlegender Vorteil der erfindungsgemässen Einrichtung besteht darin, dass sie einen wesentlich wirtschaftlicheren Turbinenbetrieb ermöglicht, da die Ventilationsverluste der Pumpe, welche beim Turbinenbetrieb abgeschaltet ist, entfallen ; ein Vorzug der Einrichtung ist auch, dass der Elektromotor der Kupplung von einer minimalen Leistung sein kann, da er nur imstande sein muss, die mit Wasser gefüllte Pumpe in Drehung zu versetzen, und da er immer nur eine kurze Zeitdauer, nämlich so lange, bis die Verbindung hergestellt ist, in Betrieb ist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kupplung mit verschiebbarem Zahnkranz zum Anlassen von Pumpspeicher-Maschinensätzen von Wasserkraftwerken mittels eines synchronisierten Asynchronmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigung des Zahnkranzes (8) durch einen im Rotor (1) des synchronisierten Asynchronmotors axial verschiebbaren Differentialkolben (6) erfolgt, der in axialer Richtung durch ein Rohr (12) verlängert ist, das am Ende einen Hilfskolben (16) trägt, welcher in einer axialen Bohrung (27) der getriebenen Welle (15) verschiebbar ist, wobei diese Welle (15) zur Zuführung und Abführung des Druckmittels einerseits zur grösseren Fläche (4) des Differentialkolbens (6) durch die axiale Bohrung (27) und anderseits zur kleineren Fläche (3) des Differentialkolbens (6) durch das Rohr (12) und durch einen, in diesem Kolben (6)
ausge- bildeten Kanal (14) vor und hinter dem Hilfskolben (16) mit Bohrungen (17,19) versehen ist.