DE19528267A1 - Verstellvorrichtung für Laufradschaufeln einer Kaplan-Turbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Laufradschaufeln einer Kaplan-Rohrturbi­ ne, insbesondere einer S-Turbine, bei der das Wasser dem Leitkranz durch eine horizontale Rohrleitung zufließt und nach Durchströmen des Laufrades durch ein S-bogenförmiges Saugrohr abfließt. Derartige Rohrturbinen werden - im Gegensatz zu der klassischen Kaplan-Turbine mit vertikalem Zufluß - vor allem bei Kleinwasserkraftanlagen eingesetzt.

Bei einem Teil der Kaplan-Rohrturbinen sind die Schaufeln des Laufrades zur Wirkungsgradverbesserung verstellbar. Üb­ licherweise besteht die Verstellvorrichtung aus einem hydraulischen Servomotor, der im Inneren eines den Strö­ mungskanal begrenzenden zentralen Hohlkörpers (der Birne) angeordnet und über einen Schub-Drehmechanismus (Schubstange und Lenker) mit den Schaufeln des Laufrades verbunden ist. Nachteilig hierbei ist, daß der mit Öl betriebene Servomotor innerhalb der Wasserströmung angeordnet ist, so daß es bei Leckagen zu Ölverschmutzungen des Wassers kommen kann. Der Servomotor ist schwer zugänglich, nicht leicht zu überprüfen und relativ kompliziert zu montieren.

Aus der DE 43 06 131 A1 ist eine Strömungsmaschine (Turbine oder Pumpe) mit Verstellpropeller bekannt, bei dem ein trocken aufgestellter Verstellmotor am propellerfernen Ende des Motors oder Generators angeordnet ist, wobei sich eine Verstellspindel des Verstellmotors durch die hohle Welle der Strömungsmaschine erstreckt. Da jedoch insbesondere bei Kaplan-S-Turbinen die Turbinenwelle eine erhebliche Länge besitzt, dürfte diese Lösung in der Praxis auf erhebliche Schwierigkeiten stoßen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvor­ richtung zum Verstellen der Laufradschaufeln einer Kaplan- Rohrturbine, insbesondere einer S-Turbine zu schaffen, bei der in konstruktiv möglichst einfacher Weise die Gefahr einer Verschmutzung des Wassers durch Hydrauliköl im Servo­ motor vermieden wird. Darüberhinaus soll der Servomotor leicht zugänglich und kontrollierbar sein, und die Verstell­ wege sollen als Rückführung auf die Regelung der Turbine leicht abgreifbar sein. Schließlich sollen in der bisherigen Turbinenfertigung erprobte Bauteile verwendet werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Ver­ stellvorrichtung zum Verstellen der Laufradschaufeln einer Kaplan-Rohrturbine mit einem Strömungskanal, in dem in Strö­ mungsrichtung hintereinander die Schaufeln eines Leitkranzes und die Schaufeln eines Laufrades angeordnet sind und der außen von einem Rohr und innen von einem stillstehenden Hohlkörper sowie einer rotierenden Laufradnabe begrenzt wird, welche Verstellvorrichtung aufweist:

• a) einen hydraulischen Servomotor mit einer hin- und her­ bewegbaren Kolbenstange, der außerhalb des Rohres angeordnet ist,
• b) ein durch den Strömungskanal verlaufendes Übertragungs­ gestänge, das die Hin- und Herbewegungen der Kolbenstange auf ein Verbindungsglied überträgt, das im Hohlkörper axial verschiebbar und drehfest angeordnet ist,
• c) einen Kraftübertragungsmechanismus, der die axialen Hin- und Herbewegungen des Verbindungsgliedes auf eine axial verschiebbare, mit dem Laufrad rotierende Regulierwelle überträgt und hierbei eine Relativdrehung zwischen Verbin­ dungsglied und Regulierwelle zuläßt, und
• d) einen Schub-Drehmechanismus, der die axialen Hin- und Herbewegungen der Regulierwelle in drehende Verstellbewe­ gungen der Laufradschaufeln umwandelt.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Verstellvorrichtung ist der Servomotor außerhalb des Rohres und somit außerhalb der Wasserströmung angeordnet. Selbst bei einer Leckage des Servomotors kann somit kein Öl in die Wasserströmung gelan­ gen. Der Servomotor läßt sich in einfacher Weise montieren, ist bequem zugänglich und läßt sich daher jederzeit überprü­ fen, warten und reparieren. Auch gestaltet sich die Rück­ führung von für die Regelung benötigten Stellgrößen des Ser­ vomotors vergleichsweise einfach. Trotz der Anordnung des Servomotors außerhalb der Wasserströmung sind keine allzu großen Übertragungswege zwischen Servomotor und den Laufrad­ schaufeln erforderlich.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftübertragungsmechanismus ein am Verbindungsglied vorgesehenes Gehäuse und ein an der Regu­ lierwelle drehfest und unverschiebbar angebrachtes Hülsen­ teil aufweist, von denen das Gehäuse durch ein Radiallager und zwei entgegengerichtete Axiallager auf dem Hülsenteil drehbar und axial unverschiebbar gelagert ist. Das Gehäuse kann in einfacher Weise strömungsmitteldicht verschlossen werden, so daß die Gefahr einer Verschmutzung der Wasser­ strömung durch das zur Schmierung der Lager erforderliche Schmiermittel extrem gering ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kaplan-S-Turbine;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Kraftübertragungs­ mechanismus, wie er bei der Turbine in Fig. 1 ver­ wendet wird.

Die in Fig. 1 gezeigte Kaplan-Rohrturbine besitzt einen im wesentlichen rotationssymmetrischen Strömungskanal 2 mit ho­ rizontalem Zulauf, der durch einen Pfeil Z angedeutet ist. Der Strömungskanal 2 wird im Turbinenbereich außen von einem Rohr 4 und innen von einem Hohlkörper 6 (der sog. Birne) begrenzt, wobei der Hohlkörper 6 von drei radialen Stütz­ schaufeln 8 eines Stützschaufelringes getragen wird, der Teil des Rohres 4 bildet.

In dem Strömungskanal 2 sind stromab der Stützschaufeln 8 verstellbare Schaufeln 11 eines Leitkranzes 10 und verstell­ bare Schaufeln 13 eines Laufrades 12 angeordnet. Die Lauf­ radschaufeln 13 sind in einer Nabe 14 um zur Turbinenachse A senkrecht verlaufende Achsen B drehbar gelagert. Die mit dem Laufrad 12 umlaufende Nabe 14 bildet eine Verlängerung des stillstehenden Hohlkörpers 6 (Birne) und ist mit der kon­ zentrisch zur Turbinenachse A angeordneten Turbinenwelle 16 drehfest verbunden. Die Turbinenwelle 16 besteht aus einem stromaufwärtigen Wellenabschnitt 16A, der mittels eines Lagers 18 innerhalb des Hohlkörpers 6 drehbar gelagert ist, sowie einem stromabwärtigen Wellenabschnitt 16B, der zu dem Generator (nicht gezeigt) führt.

An das Rohr 4 schließt sich stromab des Laufrades 12 ein Saugrohr 19 an, das einen S-bogenförmigen Verlauf hat; in Fig. 1 ist auf der rechten Seite lediglich der Beginn des S-bogenförmigen Verlaufes zu sehen. Bei der dargestellten Tur­ bine handelt es sich somit um eine sogenannte S-Turbine, wie sie bei Kleinwasserkraftanlagen (Leistungen bis ca. 1500 kW und Fallhöhen bis etwa 15 m) eingesetzt wird.

Die Verstellvorrichtung zum Verstellen der Schaufeln 13 des Laufrades 12 besteht aus:

• - einem hydraulischen Servomotor 20 mit einer hin- und her­ bewegbaren Kolbenstange 22, der außerhalb des Rohres 4 an­ geordnet und mittels eines Verankerungsteiles 23 am Rohr 4 angebracht ist;
• - einem Übertragungsgestänge 24, das sich von dem Servomotor 20 durch den Strömungskanal 2 hindurch ins Innere des Hohl­ körpers 6 erstreckt;
• - einem Verbindungsglied 26 zwischen dem Übertragungsgestän­ ge 24 und einem Kraftübertragungsmechanismus 28, der die axialen Hin- und Herbewegungen des Verbindungsgliedes 26 auf eine Regulierwelle 30 überträgt und hierbei eine Rela­ tivdrehung zwischen dem Verbindungsglied und der Regulier­ welle zuläßt, so daß die Regulierwelle 28 mit der Turbi­ nenwelle 16 umlaufen kann, und
• - einem Schub-Drehmechanismus 32, der die axialen Hin- und Herbewegungen der Regulierwelle 30 in Drehbewegungen der Laufradschaufeln 13 umwandelt.

Das Übertragungsgestänge 24 besteht aus zwei Kniehebeln 34 und 36 sowie einer die beiden Kniehebel verbindenden Stoß­ stange 40. Der Kniehebel 34, der an dem Verankerungsteil 23 des Rohres 4 drehbar gelagert ist, ist mit seinem einen He­ belarm an der Kolbenstange 22 und mit seinem anderen He­ belarm am äußeren Ende der Stoßstange 40 angelenkt. Die Stoßstange 40 erstreckt sich durch eine der drei profilier­ ten Stützschaufeln 8 des Stützschaufelringes in das Innere des Hohlkörpers 6. Der Kniehebel 36, der an einem Veranker­ ungsteil 38 des Hohlkörpers 6 drehbar gelagert ist, ist mit seinem einen Hebelarm am inneren Ende der Stoßstange 40 und mit seinem anderen Hebelarm an einem Ende eines kurzen Len­ kers 41 angelenkt. Das andere Ende des Lenkers 41 ist an dem Verbindungsglied 26 angelenkt, das die Verbindung zu dem Kraftübertragungsmechanismus 28 herstellt.

Der Kraftübertragungsmechanismus 28 ist in Fig. 2 genauer dargestellt. Er weist ein bezüglich der Turbinenachse A im wesentlichen rotationssymmetrisches Gehäuse 42 auf, das aus zwei topfförmigen Gehäuseteilen 42A und 42B besteht. Die Ge­ häuseteile 42A, B sind durch in Umfangsrichtung verteilt an­ geordnete, parallel zur Turbinenachse A verlaufende Schrau­ ben 44 miteinander verbunden.

Das Verbindungsglied 26 ist an der Bodenwand des Gehäuse­ teils 42A angebracht und ist mit einer Bohrung 43 versehen, durch die es mit dem Lenker 41 (Fig. 1) gelenkig verbunden wird. Durch die Bodenwand des Gehäuseteils 42B erstreckt sich die Regulierwelle 30 in das Innere des Gehäuses 42. Das Innere des Gehäuses 42 ist durch eine - bei 45 lediglich angedeutete - Dichtung zwischen der Regulierwelle 30 und der Bodenwand des Gehäuseteils 42B abgedichtet.

Die Hauptbestandteile des Kraftübertragungsmechanismus 28 sind ein Radiallager 46 und zwei Axiallager 48 und 50, die Axialbewegungen des Verbindungsgliedes 26 und somit des Ge­ häuses 42 auf die Regulierwelle 30 übertragen und hierbei eine Relativdrehung zwischen dem Gehäuse 42 und der Regu­ lierwelle 30 zulassen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lager 46, 48 und 50 als Rollenlager mit je zwei Laufringen und dazwischen angeordneten Rollen als Wälzkör­ pern ausgebildet.

Zwischen radialen Schultern der beiden Gehäuseteile 42A und 42B ist ein Lagerträger 52 eingespannt, der aus zwei Teilen 52A und 52B besteht. Der hülsenförmig ausgebildete Lagerträ­ ger 52 nimmt in einer inneren ringförmigen Ausnehmung einen Laufring des Radiallagers 46 und in Ausnehmungen an seinen entgegengesetzten Stirnseiten je einen Laufring der beiden Axiallager 48, 50 auf.

Die Regulierwelle 30 trägt einen mit ihm drehfest verbunde­ nen Lagerträger in Form eines Hülsenteils 56, das an seinen entgegengesetzten Enden mit Flanschen 58 und 60 versehen ist. Während der Flansch 58 an dem Hülsenteil 56 einstückig angeformt ist, besteht der Flansch 60 aus einer mit dem Hül­ senteil 56 verschraubten Mutter, die durch eine Gegenmutter 62 auf dem Hülsenteil 56 gesichert ist. Das Hülsenteil 56 nimmt auf seiner Umfangsfläche den anderen Laufring des Ra­ diallagers 46 und an seinen Flanschen 58, 60 den jeweils an­ deren Laufring der beiden Axiallager 48, 50 auf.

Das Hülsenteil 56 ist durch ein Gewinde 66 mit der Regulier­ welle 30 verschraubt und durch eine Mutter 64 auf der Regu­ lierwelle 30 gesichert. In dem Gehäuse 42 und dem Lagerträ­ ger 52 sind Schmiermittelbohrungen 68 zum Schmieren der La­ ger 46, 48, 50 vorgesehen.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, erstreckt sich die Regulier­ welle 30 von dem Kraftübertragungsmechanismus 28 aus axial gleitend durch den Wellenabschnitt 16A der Turbinenwelle 16 hindurch. An dem (in Fig. 1 rechtsseitigen) Ende der Regu­ lierwelle 30 ist ein Scheibenkörper 70 befestigt, der einen Teil des Schub-Drehmechanismus 32 bildet. Wie durch strich­ punktierte Linien angedeutet, ist der Scheibenkörper 70 drehfest, jedoch axial verschiebbar bezüglich eines Ringes 74 angeordnet, der radial innen mit dem Wellenabschnitt 16A und radial außen mit der Nabe 14 des Laufrades 12 fest ver­ bunden ist. Der Scheibenkörper 70 und hierdurch die Regu­ lierwelle 30 werden daher gemeinsam mit dem Laufrad 12 und der Turbinenwelle 16 gedreht. Der Scheibenkörper 70 trägt koaxial zur Turbinenachse A verlaufende Schubstangen 72, die mit ihren vom Scheibenkörper 70 abgewandten Enden exzen­ trisch an den Laufradschaufeln 13 angreifen, so daß bei einer Axialverschiebung der Schubstangen 72 die Laufrad­ schaufeln 13 um ihre Achsen B gedreht werden.

Die Funktionsweise der Verstellvorrichtung für die Laufrad­ schaufeln 13 dürfte bereits aus der obigen Beschreibung her­ vorgehen. Soll die Anstellung der Laufradschaufeln 13 geän­ dert werden, wird der hydraulische Servomotor 20 betätigt.

Die hieraus resultierende Verschiebung der Kolbenstange 22 wird über das Übertragungsgestänge 24 auf das Verbindungs­ glied 26 und damit auf das Gehäuse 42 des Kraftübertra­ gungsmechanismus 28 übertragen. Diese Axialbewegung gibt der Kraftübertragungsmechanismus 28 mittels der Axiallager 48, 50 an die mit der Turbinenwelle 16 umlaufende Regulierwelle 30 weiter, wobei das Radiallager 46 eine Relativdrehung zwi­ schen dem Gehäuse 42 und der Regulierwelle 30 zuläßt. Die Axialbewegung der Regulierwelle 30 wird schließlich von dem Schub-Drehmechanismus 32 in Verstellbewegungen der Laufrad­ schaufeln 13 um ihre Achsen B umgewandelt.

Claims (10)

1. Verstellvorrichtung zum Verstellen der Laufradschaufeln einer Kaplan-Rohrturbine mit einem Strömungskanal (2), in dem in Strömungsrichtung hintereinander die Schaufeln (11) eines Leitkranzes (10) und die Schaufeln (13) eines Laufra­ des (12) angeordnet sind und der außen von einem Rohr (4) und innen von einem stillstehenden Hohlkörper (6) sowie einer rotierenden Laufradnabe (14) begrenzt wird, welche Verstellvorrichtung aufweist:

• a) einen hydraulischen Servomotor (20) mit einer hin- und herbewegbaren Kolbenstange (22), der außerhalb des Rohres (4) angeordnet ist,
• b) ein durch den Strömungskanal (2) verlaufendes Übertra­ gungsgestänge (24), das die Hin- und Herbewegungen der Kol­ benstange (22) auf ein Verbindungsglied (26) überträgt, das im Hohlkörper (6) axial verschiebbar und drehfest angeordnet ist,
• c) einen Kraftübertragungsmechanismus (28), der die axia­ len Hin- und Herbewegungen des Verbindungsgliedes (26) auf eine axial verschiebbare, mit dem Laufrad (12) rotierende Regulierwelle (30) überträgt und hierbei eine Relativdrehung zwischen Verbindungsglied und Regulierwelle zuläßt, und
• d) einen Schub-Drehmechanismus (32), der die axialen Hin- und Herbewegungen der Regulierwelle (30) in drehende Ver­ stellbewegungen der Laufradschaufeln (13) umwandelt.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kraftübertragungsmechanismus (28) ein am Verbindungsglied (26) vorgesehenes Gehäuse (42) und ein an der Regulierwelle (30) drehfest und unverschiebbar ange­ brachtes Hülsenteil (56) aufweist, wobei das Gehäuse (42) durch ein Radiallager (46) und zwei entgegengerichtete Axiallager (48, 50) auf dem Hülsenteil (56) drehbar und axial unverschiebbar gelagert ist.

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (42) aus zwei topfförmigen Gehäu­ seteilen (42A, B) besteht, die durch Schrauben (44) mitein­ ander verbunden sind und deren Inneres nach außen abgedich­ tet ist.

4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Radiallager (46) und die beiden Axial­ lager (48, 50) als Wälzlager mit je zwei Laufringen und da­ zwischen angeordneten Wälzkörpern ausgebildet sind.

5. Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in dem Gehäuse (42) ein ungefähr buchsenförmi­ ger Lagerträger (52) fest angeordnet ist, der in einer inne­ ren ringförmigen Ausnehmung einen Laufring des Radiallagers (46) und an seinen entgegengesetzten Stirnseiten je einen Laufring der beiden Axiallager (48, 50) aufnimmt.

6. Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Hülsenteil (56) auf seiner Umfangsfläche den anderen Laufring des Radiallagers (46) und mittels an seinen Enden vorgesehenen Flanschen (58, 60) den jeweils an­ deren Laufring der beiden Axiallager (48, 50) aufnimmt.

7. Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regulierwelle (30) im Inne­ ren des Hülsenteils (56) fest angebracht ist und sich von dort axial gleitend durch einen stromauf des Laufrades (12) angeordneten Teil (16A) der Turbinenwelle (16) erstreckt.

8. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schub-Drehmecha­ nismus (32) koaxial zur Turbinenachse verlaufende Schub­ stangen (72) aufweist, die an ihrem einen Ende jeweils mit einer Laufradschaufel (14) exzentrisch verbunden sind und an ihrem anderen Ende an einem Scheibenkörper (70) befestigt sind, der an der Regulierwelle (30) befestigt und mit der Turbinenwelle (16) drehfest verbunden ist.

9. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsge­ stänge (24) durch eine Stützschaufel (8) eines Stützschau­ felringes verläuft, der sich stromauf des Leitkranzes (10) radial durch den Strömungskanal (2) erstreckt.

10. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungsge­ stänge (24) einen mit der Kolbenstange (22) gelenkig ver­ bundenen ersten Kniehebel (34), einen mit dem Verbindungs­ glied (26) gelenkig verbundenen zweiten Kniehebel (36) und eine an den beiden Kniehebeln (34, 36) angelenkte Stoßstange (40) aufweist.