Hydrodynamisch wirkender Drehmomentenwandler
Die Erfindung betrifft einen hydrodynamisch wirkenden Drehmomentenwandler, der insbesondere zum Hochfahren emer von einem Elektromotor oder Motorgenerator angetriebenen Speicherpumpe dient.
Bekannte Drehmomentenwandler dieser Art weisen ein Pumpenlaufrad und ein Turbinenlaufrad auf, welche unter Zwischenschaltung eines nicht mitumlaufenden Leitapparates in einem gemeinsamen Ringgehäuse angeordnet sind. Das Pumpenlaufrad ist im Betriebsfall mitt den Elektromotor gekuppelt und das Turbinenlaufrad mit der anzufahrenden Speicherpumpe.
zum Einschalten des Wandlers wird das Ringgehäuse mit einen hydraulischen Übertragungsmittel, meist mit Wasser gefffllt und das Pumpenlaufrad mit Hilfe des Elektromotors angetrieben. Das hydraulische tJbertra- gungsmittei strömt hierbei, vom Leitapparat geführt, zum Turbinenlaufrad und treibt dieses an. Es bildet sich demgemäss eine Strömung des Übertragungsmittels aus, welche - im Längschnitt der Vorrichtung betrachtet - in Umfangsrichtung des Ringgehäuses verläuft. Durch Drosselung des tJbertragungsmitteSstromes kann das maximal übertragbare Moment auf einen ge wünschen Grenzwert eingestellt werden.
Die Drosselung wird bei den bekannten Vorrichtungen entweder durch mehr oder weniger starke Öffnung des einstellba- ren Leitapparates bewirkt oder dadurch, dass in den tYbertragungsmittelstrom ein Drosselschieber, der meist die Form eines Ringschiebers aufweist, mehr oder weniger weit eingeführt wird.
Hydrodyn,amisch wirkende Drehmomentenwandler der beschriebenen Art werden dazu benutzt, die Drehzahl des Speicherpumpenlaufrades aus dem Stililstand soweit hochzufahren, dass Edie Antriebswelle des Laufrades synchron mit der Abtriebswelle des Elektromo- tors umläuft. Ist dieser Zustand erreicht, so wird eine Zahnradkupplung eingekuppelt und durch diese die Antriebsarbeit übertragen. Der Drehmomentenwandler kann nun ausgeschaltet werden, was in einfachster Weise durch Entleeren des Ringgehäuses geschieht.
Ausser der beschriebenen Aufgabe haben hydrodynamisch wirkende Drehmomentenwandler bei hydr.au- lischen Pumpspeichersätzen auch noch eine weitere Aufgabe, die darin besteht, das Polrad der elektrischen Maschine nach dem Abstellen des Maschinen satzes möglichst rasch abzubremsen, damit die Lager der elektrischen Maschine geschont werden. Dies kann in der Weise geschehen, dass der Drehmomentenewandler nach dem Abstellen des Elektromotors mit Wasser gefüllt wird. Das erhöhte Reibnngsmoment des Pumpenlaufrades des Wandlers, welches jetzt in Wasser statt in Luft umläuft, verzehrt die Rotationsenergie, so dass die Drehzahl abnimmt.
Das Abbremsen mit dem Wandler ist jedoch nur im oberen Drehzahlbereich wirksam, weil die Bremswirkung mit abfallender Drehzahl verhältnismässig rasch nach einem parabolischen Gesetz abnimmt. Dieser Umstand bringt es mit sich, dass Wandler der bekannten Art für das vollständige Abbremsen des Polrades bis zum Stillstand der Maschine nicht geeignet sind.
Aus diesem Grunde wird bisher in der Praxis so verfahren, dass die elektrische Maschine im unteren Drehzahlbereich, etwa ab 50% der Normaldrehzahl, auf elektrischem Wege bis zum Stillstand abgebremst wird. Es hat sich aber herausgestellt, dass bei sehr leistungsstarken, elektrischen Maschinen von mehreren 100 MW die notwendigen elektrischen Einrichtungen zum Bremsen im unteren Drehzahlbereich sehr auf wendig und gross werden. Man ist deshalb bestrebt, auf sie nach Möglichkeit zu verzichten.
Bei dieser Sachlage besteht die Aufgabe, einen hydrodynamlisch wirkenden Drehmomentenwandler vorzuschlagen, der sowohl zum Hochfahren der Speicherpumpe aus dem Stillstand, wie auch zum Abbremsen der elektrischen Maschine von Normaldrehzahl bis zum Stillstand geeignet ist.
Erfindungsgemäss wird zur Lösung dieser Aufgabe von dem Gedanken ausgegangen, dass es möglich sein müsste, das Pumpenlaufrad des Wandlers zum bremsen derart mit Druckwasser zu beaufschlagen, dass es etwa wie eine Francisturbine in Richtung umgekehrt zur Pumpenlaufraddrehrichtung angetrieben wird. Geschieht dies, so müsste infolge des umgekehrt gerichteten Momenten zunächst das Lauf rad bis zum Stillstand abgebremst, so dann in seiner Drehrichtung umgekehrt und darauf erneut beschleunigt werden. In dem Augenblick, in dem das Laufrad zum Stillstand kommt und sich anschickt in umgekehrter Richtung anzulaufen, kann das Druckwasser abgestellt werden, so dass die Maschine im Stillstand verharrt.
Zur Realisierung dieses Gedankens wird erfin dungsgemäss ein hydrodynamisch wirkender Drehmomentenwandler der oben beschriebenen Art vorge- schlagen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die im Arbeitsfall in Strömungsrichtung hinter den Pumpenschaufeln gelegenen Räume mit einer Druckwasseflei- tung und die im Arbeitsfall in Strömungsrichtung vor den Pumpenschaufeln gelegenen Räume über Kanäle mit dem Innengehäuse und dieses über weitere, durch die Leitschaufein und das Aussengehäuse führende Kanäle mit einer Abwasserleitung verbunden sind.
Die Druckwasserleitung kann in einer Ausführungsform mit dem Oberwasser der hydraulischen Anlage verbunden sein. Sowohl in der Druckwasser- wie auch in der Abwasserleitung können Schliessvorrich- tungen angeordnet sem, die das Abfangen der Vorrichtung bei Maschinenstillstand erleichtern.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:
Fig. 1 einen schematischen Längs schnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemäs- sen Drehmomentenwandlers;
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1.
In dem in Fig. 1 dargestellten Längsschnitt durch den Drehmomentwandler ist das äussere Ringgehäuse mit 1 bezeichnet. In diesem Gehäuse sind in Achsrichtung einander gegenüberstehend das Pumpenlaufrad 2 und das Turbinen'laufrad 3 angeordnet. Zwischen ihnen befindet sich der Leitapparat 4, dessen nur in Fig. 2 dargestellte Leitschaufeln 4' einerseits am äusseren Ringgehäuse 1 und ande.rerseits an einem inneren Ringgehäuse 5 befestigt sind.
Das Pumpenlaufrad 2 ist mit mehreren über den äusseren Umfang verteilt angeordneten Pumpenschau- feln 6 besetzt und mit der Laufradnabe 7 auf dem Ende 8 der Antriebswelle 9 befestigt. Die Antriebswelle 9 ist im Betriebsfall mit einem Elektromotor kraftschlüssig verbunden.
Das Ende 8 de.r Antriebswelle 9 geht in ein Kopfstück 10 über, welches strömungsgünstig geformt ist und die Umlenkung der Ringstromung im inneren Teil des Ringgehäuses 1 übernimmt. Das Kopfstück 10 ist weiter mit einem Abschiuss-Stück 11 verbunden, welches den von der Antriebswelle 9 angetriebenen Teil 12 der Zahnradkupplung 13 trägt.
Das Turbinenlaufrad 3 ist mit Turbinenschaufeln 14 besetzt und es geht zur Abtriebswelle hin in das beispielsweise halbkugelförmige Zwischenstück 15 über, das seinerseits mit der zur Speicherpumpe führenden Abtriebswelle 16 verbunden ist. Das Zwischenstück 15 trägt im Inneren das Kupplungsteil 17, wei- ches ebenso wie das Kuppinugsteil 12 mit einer Innen verzahnung 18 ausgerüstet ist. Im Innern des Kupplungsteiles 17 ist axialverschiebbar das mit einer Aus- senverzahnung 19 ausgerüstete Zahnrad 20 angeord- net, welches mit Hilfe der Kupplungsstange 21, die zentral durch die Abtriebswelle 16 nach aussen geführt ist, verschoben werden kann.
Hierdurch ist es möglich die beiden Kupplungshälften 12 und 17 bei Stillstand oder bei synchronem Umlauf miteinander zu verbinden und so die Wellen 9 und 16 unmittelbar miteinander zu kuppeln.
Zum Hochfahren der mit der Welle 16 verbundenen Speicherpumpe wird zunächst der Elektromotor in Betrieb gesetzt und auf diese Weise die Welle 9 auge- trieben. Hiernach wird das Ringgehäuse 1 mit Wasser gefüllt, worauf sich infolge der Pumpwirkung der Pumpenschan 6 eine Strömung einstellt, deren Richtung durch die gestrichelten Pfeile 22 angedeutet ist. Die Strömung des Arbeitsmittels wird durch den Leitapparat 4 auf d'ie Turbinenschaufe.ln 14 gelenkt und treibt diese an.
Im dargestellten Beispiel ist kurz vor den Turbinsensch,aufeln ein ringförmiger Drosselschieber 23 angeordnet, der zur Einstellung der Strömung auf einen gewünschten Wert und damit zur Begrenzung des maximal übertragbaren Momenten dient.
Der Drehmomentenwandler kann nicht nur zum Hochfahren der anzutreibenden Speicherpumpe aus dem Stillstand auf Synchrondrehzahl dienen, sondern auch zum Abbremsen des mit der Antriebswelle 9 verbundenen Elektromotors bei abgekuppelter Pumpe.
Hierzu sind die im Arbeitsfall in Strömungsrichtung hinter den Pumpelnschaufel.n 6 gelegenen Räume 24 mit einer Druckwasserleitung 25 verbunden und die im Arbeitsf all in Strömungsrichtung vor den Pumpen- schaufeln 14 gelegenen Räume 26 über Kanäle 27 mit dem Innengehäuse 5. Das Innengehäuse ist über weitere durch die Leitschaufeln 4' des Leitapparates 4 und das Aussengehäuse 1 führenden Kanäle 28 mit einer Abwasserleitung 29 verbunden. Die Druckwasserleitung 25 führt über ein oder mehrere Absperrventile 30, beispielsweise zum Oberwasser der hydraulischen Anlage und die Abwassierleitung 29 führt über ein oder mehrere Absperrventile 31, beispielsweise zum Unterwasser.
Infolge dieser beschriebenen Ausgestaltung des Wandlers ist es möglich, zum Abbremsen des Pumpen- laufrades 2, bzw. der mit diesem über die Welle 9 ver bundenen elektrischen Maschine durch die Leitung 25 Druckwasser in die Räume 24 einzuleiten, welches dann, da die Strömung entlang des Pfeiles 22 durch den eingefahrenen Ringschieber 23 gesperrt ist, entlang des Strömungspfeiles 32 die Pumpenschaufeln 6 beaufschlagt, so dass diese infolge der nun umgekehrten Strömungsrichtung wie eine Francisturbine wirken und ein Bremsmoment auf das Laufrad 2 ausüben.
Das Druckwasser strömt nach dem Verlassen des Pumpenlaufrades entlang des Pfeiles 33 durch den Kanal 27, von dort in das Innere des Ringgehäuses 5 und aus diesem durch den Kanal 28 in die Abwasiserleitung 29.
Sobald das Pumpenlaufrad 2 und damit die Welle 9 und der daran gekuppelte Elektromotor soweit abgebremst sind, dass sie stillstehen, werden die Absperrventile 30 und 31 geschlossen, worauf die Vorrichtung durch Entleeren völlig ausser Betrieb gesetzt werden kann.
Um die zur Bremsung benötigte Druckwassermenge möglichst optimal in die Vorrichtung eintreten zu lassen wird vorgeschlagen, dass jeweils zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 4' je eine Dru.ckwasserzulei- tung 25 angeordnet ist, die ihrerseits mit einer ringförmigen, an das Obe,rwasser anzuschliessenden Verteiler- leitung 25" in Verbindung stehen. Die Verteilerleitung 25" wind vorteilhafterweise an das Gehäuse 1 der Vorrichtung angegrossen oder angeschweisst. Entsprechtend sollte auch jede Leitschaufel 4' einen mit dem Innengehäuse 5 im Verbindung stehenden Kanal 28 aufweisen, wobei sämtliche Kanäle 28 ausserhalb des Aussengehäuses 1 in eine an das Unterwasser auszuschliessende Ringleitung 29' einmünden.
Zur Einleitung des Bremsvorganges ist es wesentlich, dass der normale Strom des Arbeitsmittels, der in der Zeichnung durch die Pfeile 22 dargestellt ist, umterbrochen wird. Im dargestellten Beispiel geschieht dies Idurch vollständiges Einfahren der Ringschütze 23.
In Abweichung hiervon ist es aber auch möglich, den Leitsapparat 4 mit verstellbaren Leitschaufeln 4' auszurüsten, welche soweit verstellbar sind, dass der Leitapparat vollständig geschlossen werden kann. Leitapparate dieser Art sind an sich bekannt; sie sind jedoch bei Drehmomentenwandlern wider bisher bekannten Art nicht erforderlich, da bei diesen kein Anlass zum vollständigen Schliessen besteht und die Drosselvorrichtung lediglich zur Begrenzung des zu übertragenden Momentes dienen.
Anstatt den gesamten Leitapparat 4 mit versbellba- ren Schaufeln 4' auszurüsten, kann es aus Konstruktionsgründen vorteilhaft sein, dem an sich, bekannten Leitapparat mit feststehenden Schaufeln einen weiteren, kleineren Leitapparat mit verstellbaren Schalufeln als Drosselglied vorzuschalten. Die Leitschaufeln die ses vorgeschalteten Apparates müssen ebenfalls vollständig schliessbar sein.
Im Innern des Innengehäuses 5 sind vorzugsweise Verstärkungsrippen 34 angeordnet, welche dem Innengehäuse die erforderliche Festigkeit verleihen. Damit die Verstärkungsrippen 34 das Innengehäuse nicht in eine Vielzahl von Kammern unterteilen, wird vorge- schlagen, im Bereich der Einstömöffnungen 35 und der Ausströmöffnungen 36 Ausschnitte 37 anzuordnen.
Um das Abfangen der Vorrichtung bei Stillstand des Pumpenlaufrades 2 bzw. der Welle 9 zu erleichtern, wird weiter vorgeschlagen, auf der Welle 9 eine Rücklaufsperre 38 anzuordnen, die beispielsweise mit den feststehenden Teilen des Gehäuses 1 verbunden oder im Fundament verankert ist. Eine derartige Rücklaufsperre, deren Aufbau bekannt ist, verhindert die Umkehr der Drehrichtung der Welle und macht ein genaues Beobachten der Vorrichtung beim Abbremsen überflüssig.