Kupplung mit verschiebbaren Zähnen Die Erfindung betrifft eine Kupplung z. B. zum Verbinden und Loslösen einer Pumpe, z. B. Speicher pumpe, mit bzw. von einer Wasserturbine während des Betriebes, b ei voller Drehzahl des Maschinen satzes. Verwendet wird sie z. B. bei Pumpspeicher- Maschinensätzen von Wasserkraftwerken, wo mit der Wasserturbine ein Synchrongenerator gekuppelt ist, welcher ausser den Hauptbedarfszeiten als Asynchron motorantrieb arbeitet.
Bisher sind verschiedene Ausführungen von Kupp lungen zwischen Pumpe und Turbine bekannt. Die Verbindung ist z. B. durch mechanische, hydraulische, feste oder elektromagnetische Kupplungen in horizon taler sowie vertikaler Ausführung durchgeführt. Diese Kupplungen haben eine Reihe von Nachteilen. Die Pumpe arbeitet zum Beispiel bei fester Verbin dung mit der Turbine als Ventilator: dies bedeutet einen hohen Energieverlust, @so dass der Gesamt- wirkungsgrad des Maschinensatzes niedriger wird.
Die hydraulische Kupplung ist gewöhnlich derart an geordnet, dass eine Peltonturbine verwendet wird, welche unter dem unteren Wasserspiegel arbeiten muss: dies erfordert ein kostspieliges Auspumpen des Wassers aus der Turbine. Bei den mechanischen Schaltkupplungen ist es für die Verkuppelung und Ausrückung nötig, die Drehzahl der Turbine auf ein Minimum zu vermindern und dann allmählich auf die volle Drehzahl zu erhöhen.
Dies widerspricht aller dings den geläufigen Anforderungen des Einrückens während des Betriebes, nachdem die an das Netz an geschlossene, mit der Turbine festgekuppelte Syn chronmaschine ausser Tritt fällt. Elektromagnetische Kupplungen können für grosse Leistungen, welche bei Pumpspeicher-Maschinensätzen in der Regel in Be tracht kommen, nicht verwendet werden.
Durch die Erfindung wird eine Kupplung geschaf fen, die bei entsprechender Ausbildung und Anwen- dung hohe Leistungen übertragen kann und die Ver bindung und Entkupplung der Pumpe und Turbine bei voller Drehzahl mit einem minimalen Energieauf wand :ermöglicht wird, wobei das Einrücken bei glei cher Drehzahl von Pumpe und Turbine, also stoss frei, erfolgt.
Das Wesen der Erfindung beruht darin, dass der die verschiebbaren Zähne tragende Teil der Zahnver- schiebeeinrichtung im Rotor eines Elektromotors, vor zugsweise eines synchronisierten Asynchronmotors, gelagert ist, welcher Rotor mit der getriebenen Welle verbunden ist.
Der Erfindungsgegenstand ist in den beiliegenden Zeichnungen schematisch dargestellt, wobei Fig.1 einen vertikalen Schnitt durch die montierte Kupplung dar stellt und Fig. 2 eine Seitenansicht der Kupplung ver anschaulicht.
Die gezeichnete Kupplung besitzt einen zweiteili gen Rotorkörper 1, welcher in seinem Oberteil mit einem Zahnkranz 2 versehen ist. Der Körper 1 ist als Arbeitszylinder für einen Differentialkolben 6 mit zwei Arbeitsflächen 3, 4 ausgeführt. Die Ringfläche 3 ist kleiner als die Fläche 4. Der Differentialkolben 6 ist mittels Dichtungsringen 5 und 7 abgedichtet.
In den Nuten (Zahnlücken) des Kranzes 2 sind die Zähne einer Verzahnung 8 des Kolbens 6 verschieb bar angeordnet, welche beim Ausrücken der Kupp lung in den Kranz 2 zurückgeschoben und beim Ein-. rücken der Kupplung in den Zahnkranz 9 der Narbe 10 vorgeschoben wird. Der Differentialkolben 6 kann auch mit zweifacher Verzahnung versehen werden, und zwar mit einer äusseren und einer inneren Ver zahnung, wobei die äussere mit einer Verzahnung der Pumpenwellennabe 20 und die innere mit einer Verzah nung der Turbinenwellennabe 10 zusammenwirkt.
Zur Verhütung des Drehens in ihrem Trägersind die Kränze 2 und 9 mit Federkeilen 11 versehen. Der Kolben 6 hat an seinem Unterteil eine Zuführungsstange 12 mit der Längsbohrung 13, durch welche mittels der Ka näle 14 des Kolbens 6 Drucköl der Fläche 3 zugeführt werden kann. Die Stange 12 ist frei in die axiale Boh rung 27 der Welle 15 hineingeschoben und ist an ihrem unteren Ende mit einem Kolben 16 versehen.
Die Welle 15 ist in ihrem sich unterhalb des Kolbens 16 befindlichen Teil mit der Bohrung 17, durch welche das Drucköl aus dem Führungslager 18 zur Fläche 3 des Kolbens 6 zugeleitet werden kann, ferner mit der oberhalb des Kolbens 16 befindlichen Öff- nung 19 versehen, durch welche das Drucköl mittels des durch die Bohrung der Welle 15 und der Stange 12 gebildeten Ringraumes 27 der Fläche 4 des Kol bens 6 zugeführt werden kann. Der geteilte Körper 1 der Kupplung ist mit der Nabe 20 mit Hilfe von Passschrauben 21 verbunden.
Die Verbindung der Pumpenwelle 15 mit der Nabe 20 ist, wie üblich, z. B. mittels einer Schraubenmutter 22 durchgeführt. Die Turbinenwelle 23 ist auch auf ähnliche Weise, z. B. mittels der Schraubenmutter 24 mit der Nabe 10 ver bunden. Der geteilte Körper 1 der Kupplung ist mit einem Schrumpfring 25 versehen, welcher zum Zu sammenziehen beider Hälften des Körpers 1 dient. Rund um den Schrumpfring 25 ist das aktive Eisen des Rotors angebracht, welches von dem Stator 26 umgeben ist. Die Lage des Kolbens 6 im eingerückten oder ausgerückten Zustand wird durch den von der Stange 29 getragenen Zeiger 28 :angegeben.
Der Ro- torkörper 1 ist links im Schnitt schraffiert, wogegen rechts, in der Teilungsebene, ohne Schraffierung dar gestellt. Die Dichtung in der Teilungsebene ist nicht veranschaulicht.
Das Kuppeln der Pumpe mit der Turbine bzw. mit dem von ihr getriebenen Synchrongenerator erfolgt derart, dass bei voller Drehzahl des Generators die Welle 15 der luftgefüllten (das ist wasserfreien) Pumpe durch den Rotor des asvnchronen Elektromotors aus dem Ruhezustand allmählich in Drehung versetzt und dieser Motor nach Erreichung der vollen Drehzahl des Generators synchronisiert wird.
Die Nabe 10 der Turbinenwelle und der Rotorkörper 1 sind gegenein ander derart angeordnet, dass bei voller Synchrondreh zahl sich die Zähne 8 gegenüber den Nuten des Kran zes 9 befinden. Die Einstellung der Zähne 8 gegen über 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 Genera- tors (der Turbine) wird die Verbindung derart durch- geführt, dass durch das Drucköl, das durch die öff- nungen 19', 19 und durch den Ringraum 27 unter die Fläche 4 des Kolbens zugeleitet wird, der Kolben 6 mit seiner Verzahnung 8 in die Nuten des Kranzes 9 geschoben wird.
Somit wird eine feste Verbindung erreicht, welche imstande ist, das entsprechende Dreh moment zu übertragen. Dann wird der A.synchron- motor abgeschaltet, d ie Pumpe entlüftet, das heisst, es wird mit Wasser gefüllt, und der Maschinensatz wird als Pumpwerk in Betrieb gesetzt.
Bei der Notwendig- keit des Abstellens der Pumpe wird umgekehrt ver fahren, das heisst, die Pumpe wird mit Luft gefüllt, der Asynchronmotor wird eingeschalten und das Drucköl wird durch die Öffnungen 17', 17, durch die Stange 12 und weiter durch die Kanäle 14 zur Fläche 3 des Differentialkolbens 6 geführt. Dabei wird der Kolben 6 aus dem Kranz 9 in seine tiefste Lage geschoben. Dann wird der Asynchronmotor abgeschaltet.
Die Erfindung kann auch derart verwirklicht wer den, dass der die Verzahnung 8 aufweisende, in Kör per 1 gelagerte Teil durch die hohle Stange 12, welche durch die ganze Pumpenwelle 15 ragt, verschoben wird. Die Stange ist an ihrem unteren Ende mit einem hydraulischen Zylinder und Kolben versehen, welch letzterer die Stange verschiebt, wobei sie in der Boh rung frei geführt wird, und das Drucköl, unter oder über den Kolben geleitet, verursacht die Verschiebung.
Der Rotorkörper 1 muss nicht geteilt sein, sondern kann aus einem Stück bestehen. Dadurch entfällt der Schrumpfring 25. Auch der Kolben 6 kann verschie denartig ausgeführt werden und auch seine Verschie bung abweichend hervorgerufen werden. Die Stange 12 kann mit dem Kolben 6 aus einem einzigen Stück bestehen oder abnehmbar an ihm befestigt sein. Da bei kann die Nabe 20 der Kupplung mit einer Einlage versehen werden, welche den Zutritt zum Rohr 12 er möglicht. Diese Anordnung ist bei der Herstellung des Körpers 1 aus einem einzigen Stück geeignet und er möglicht die leichte Zerlegung der Kupplung.
Die Körper 10 und 1 können auch so angeordnet werden, dass beide Teile z. B. mittels Passschrauben 30 und Montierstiften fest verbunden werden können, um die beiden Wellen fest miteinander zu verbinden. Dies hat den Vorteil, dass im Falle von Schwierigkei ten irgendwelcher Art, z. B. bei Beschädigung der Kupplung, Abschalten des Stromes, Versagen des Öl- druckes und dergleichen, sich eine feste Verbindung der Pumpe mit der Turbine durchführen lässt.
Durch die erläuterte Kupplung wird ein wesent licher Fortschritt gegenüber dem bisherigen Stand der Technik vor allem dadurch erzielt, dass durch Ver wendung des synchronisierten Asynchronmotors eine gänzlich stossfreie, ruhige, schnelle und einwandfreie Verbindung der Pumpe mit der Turbine bei voller Drehzahl der Turbine erreicht wird, wobei die über- tragungder vollen Belastung des Maschinensatzes erst bei der festen Verbindung beider Wellen erfolgt.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die vorgeschlagene zweiteilige Ausführung des Rotors 1 und der ausmontierbaren Stange 12 den Zusammenbau und die Zerlegung der ganzen Kupplung ohne Zerlegung der Turbine und der Pumpe ermöglicht. Die Kupplung zeichnet sich durch ihre Einfachheit, leichte Betätigungsmöglichkeit bei niedrigem öldruck aus.
Wesentliche Verluste zu folge Undichtigkeiten entfallen und die Steuerung der ganzen Einrichtung lässt sich durch Fernbetätigung und automatisch durchführen. Ein weiterer grund legender Vorteil der gezeigten Einrichtung ist, dass sie einen wesentlich wirtschaftlicheren Turbinenbetrieb ermöglicht, nachdem die Ventilationsverluste der Pumpe, welche beim Turbinenbetrieb abgeschaltet ist, entfallen.
Ein Vorzug der erläuterten Einrichtung ist auch, dass der Elektromotor der Kupplung von einer minimalen Leistung sein kann, da derselbe imstande ist, -die Pumpe ohne Wasser in Umdrehung zu verset zen und er nur eine kurze Zeitdauer im Betrieb ist, das heisst nur so lange, bis die Verbindung hergestellt ist.