DE19717855C2

DE19717855C2 - Einrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln von Strömungsmaschinen, insbesondere von Wasserturbinen

Info

Publication number: DE19717855C2
Application number: DE19717855A
Authority: DE
Inventors: Werner Von Nessen-Lapp; Frank Thiele
Original assignee: VEAG Vereinigte Energiewerke AG
Current assignee: Vattenfall Europe Generation AG and Co KG
Priority date: 1997-04-23
Filing date: 1997-04-23
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2017-04-24
Also published as: DE19717855A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln von Strömungsmaschinen, insbesondere von Wasserturbinen, mit einem innerhalb des oberen Kragens des Traversenringes und außerhalb des Teilkreisdurchmessers der Leitschaufeln sowie zentrisch zur Turbinenachse angeordneten Regulierring, der über eine Anzahl gleichmäßig über den Umfang verteilten sowie zwischen dem Regulierring und dem Traversenring angeordneten Servomotoren drehbar und über gelenkig miteinander verbundene Lenkerhebel und Leitschaufelhebel mit jeder Leitschaufel verbunden ist.

Die Regelung der Durchflußmenge an einer Wasserturbine erfolgt durch eine Anzahl gleichmäßig über den Umfang außerhalb des Laufrades verteilter Leitschaufeln. Um eine möglichst gleichförmig über den Umfang verteilte Anströmung des Laufrades zu erreichen, ist es erforderlich, alle Leitschaufeln möglichst gleichförmig zu bewegen, d. h., sie um ihre Achsen um die gleichen Winkel zu verdrehen.

Dazu ist es bekannt, über einen innerhalb (DE 15 03 299, DE 38 27 743) oder außerhalb (DE-GM 19 09 600) des Teilkreisdurchmessers der Leitschaufeln angeordneten Regulierring die Leitschaufeln zu verstellen. Der Antrieb des Regulierringes erfolgt in der Regel durch zwei doppelt wirkende Ölservomotoren, die auf dem Maschinenfundament verankert sind und über Schubstangen und entsprechend ausgebildete Gelenkbolzen die Kräfte in den Regulierring einleiten.

Zur Kraftübertragung vom Regulierring in die Leitschaufeln dienen Lenkerhebel und Leitschaufelhebel, die jeweils konstruktiv gleiche Längen haben und gelenkig miteinander verbunden sind (Bolzen/Buchse).

Derartige Regulierringe sind gekennzeichnet durch eine massive Bauweise mit entsprechend großem Gewicht und großem Platzbedarf, wobei der große Platzbedarf häufig konstruktive Schwierigkeiten bereitet. Die massive Bauweise ist durch den Kraftfluß im Ring von den zwei Einleitungsstellen zu den gleichmäßig über den Umfang verteilten Verbindungen zu den Lenkerhebeln bedingt. Erschwerend kommt hinzu, daß die Kräfte von den Servomotoren, den Lenkerhebeln und den Lagerstellen des Ringes in unterschiedlichen axialen Höhen am Regulierring angreifen und dadurch neben Zug-, Druck- und Biegebelastungen zu erheblichen Torsionsbeanspruchungen des Ringquerschnittes führen, die seine Dimensionierung maßgebend beeinflussen.

Die gleichmäßige Weiterleitung der Kräfte an alle Leitschaufeln funktioniert unter der Voraussetzung, daß auf die Leitschaufeln gleich große Kräfte und Momente wirken.

Das ist bei gleicher Stellung (Drehwinkel) in der Regel annähernd erfüllt, solange der Drehung der einzelnen Leitschaufeln keine ungewöhnlichen Widerstände entgegenstehen. Wird aber z. B. beim Schließen zwischen zwei Leitschaufeln ein Fremdkörper eingeklemmt, z. B. ein abgebrochener Rechenstab, so konzentrieren sich die von den Servomotoren eingeleiteten Kräfte nur auf die betroffenen Leitschaufeln. Eine unsymmetrische Belastung im Regulierring und die Überlastung der betroffenen Leitschaufeln und ihrer Verbindungselemente ist die Folge.

Um derartige Überlastungen zu begrenzen, werden Sicherungen in Form von Ausrückeinrichtungen, Bruchbolzen oder auch Verformungselementen angewandt (DE-GM 19 09 600, DE 29 35 480, DE 38 27 743, DE 15 03 299). Um die Probleme beim klassischen Regulierring mit zwei Servomotoren zu umgehen, sind schon Lösungen mit Einzelservomotoren bekannt. Dabei wird jede Leitschaufel von einem einzelnen, doppelt wirkenden Servomotor angetrieben, der über eine gelenkige Verbindung an den Turbinendeckel (innenliegend) oder den Traversenring (außenliegend) angeschlossen ist. Nachteilig beim Antrieb jeder Leitschaufel mit einem Einzelservomotor ist die große Anzahl von Servomotoren mit den zugehörigen Verschleißteilen (Dichtungen) und hochwertigen Bauelementen. Problematisch ist weiterhin die Sicherung des Gleichlaufes aller Servomotoren in allen Betriebszuständen einschließlich denkbarer Havarielastfälle innerhalb der zulässigen Abweichungen, denn eine Beaufschlagung aller Servomotoren mit gleichem Öldruck genügt nicht zur ausreichenden Erfüllung der Gleichlaufanforderungen. Hier sind weitere Aufwendungen für mechanische (Gleichlaufkette oder Gleichlaufring) oder elektronische (Sensor für Leitschaufelstellung und Ansteuerung eines Regelventils für den Öldruck) Gleichlaufsicherungen notwendig.

In DE-PS 7 12 890 wird eine Erfindung beschrieben, bei welcher die Leitschaufeln einzeln oder gruppenweise durch hydraulisch betriebene Hilfsmotoren verstellt werden, z. B. jeweils 3 Leitschaufeln durch einen Hilfsmotor.

Die Kopplung innerhalb einer solchen Antriebsgruppe erfolgt durch mechanische Gestänge ohne Verwendung eines Regulierringes. Innerhalb dieser Antriebsgruppen sind ebenfalls Überlastsicherungen für die einzelnen Leitschaufeln für den Fall des Einklemmens von Fremdkörpern zwischen zwei Leitschaufeln erforderlich.

Die vorgeschlagene hydraulische Hintereinanderschaltung der Hilfsmotoren würde nur bei völliger Reibungsfreiheit sowohl der Ölströmung als auch der übrigen bewegten Komponenten zum gewünschten Gleichlauf der Leitschaufeln führen. Da Reibwirkungen real jedoch immer vorhanden sind, funktioniert eine solche Anordnung nicht. Bei realisierten Einzelservomotor steuerungen (1 Servomotor pro Leitschaufeln) sind die einzelnen Servomoto ren parallel zur Druckölversorgung geschaltet und benötigen, wie bereits vorher beschrieben, immer eine mechanische oder elektronische Gleichlauf steuerung. Im weiteren läßt sich mit der dargestellten Gestängekopplung kinematisch kein Gleichlauf aller Leitschaufeln einer Antriebsgruppe erreichen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln von Wasserturbinen mit einem über Servomotoren bewegbaren und mit den Leitschaufeln über Lenkerhebel und Leitschaufel hebel verbundenen Regulierring so auszubilden, daß der Gleichlauf aller Leitschaufeln in allen Betriebszuständen einschließlich des Schnellschlusses gewährleistet ist und die mechanischen Beanspruchungen des Regulierringes minimiert werden.

Dies wird dadurch erreicht, daß erfindungsgemäß die Lenkerhebel über eine Schaftlänge mit einem konstanten Kreisquerschnitt als Dehnstück ausgeführt sind und die Kräfte aus den Servomotoren und den Lenkerhebeln sowie die radialen Reaktionskräfte aus den Lagerstellen in einer Ebene senkrecht zur Turbinenachse in den Regulierring eingeleitet sind, wobei der Regulierring in seinem Querschnitt symmetrisch zur Krafteinleitungsebene ausgebildet ist.

In vorteilhafter Weise ist der Regulierring aus zwei einzelnen, mit Abstand fluchtend übereinanderliegenden Ringen gebildet, die mittels gleichmäßig über den Umfang der Ringe verteilte und zwischen ihnen angeordnete Zwischenstücke fest miteinander verbunden sind, wobei die Ringe mit einem Rechteckquerschnitt ausgeführt sind, deren längere Seite in einer lotrecht zur Turbinenachse liegenden Ebene angeordnet ist.

Die Lenkerhebel sind von innen zwischen den Ringen mittels einer Verbindung Bolzen-Buchse an gleichmäßig über den Umfang der Ringe verteilte vertikale Bohrungen gelenkig angekoppelt.

Ebenfalls zwischen den Ringen sind nach außen geführte Zwischenstücke angeordnet. Die Servomotoren sind mit einer Verbindung Bolzen-Buchse mit den über die Außenkante der Ringe geführte Zwischenstücke über die dort eingebrachten Bohrungen verbunden. Weiterhin sind gleichmäßig über den Umfang der Ringe verteilt Lagerstellen angeordnet, die aus einem radialen und einem axialen Lagersegment bestehen, wobei das radiale Lagersegment zwischen den beiden Ringen und das axiale Lagersegment an der Unterseite des unteren der beiden Ringe angeordnet und mit diesen fest verbunden sind.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll nachstehend die Erfindung näher erläutert werden. Die dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf die Einrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln

Fig. 2 den Schnitt durch einen Koppelpunkt Regulierring Lenkerhebel

Fig. 3 den Schnitt durch einen Koppelpunkt Regulierring Servormotor

Fig. 4 den Schnitt durch eine Regulierringlagerstelle

Fig. 5 einen Schnitt durch den Regulierring mit Distanzstück

Die Einrichtung dient zur Verstellung der Leitschaufeln 2 von Strömungsmaschinen, insbesondere von Wasserturbinen. Dazu ist ein Regulierring 3 vorgesehen, der auf dem Traversenring 4 zentrisch zur Turbinenachse 9 angeordnet ist. Der Regulierring 3 ist über Servomotoren 5 um seine Achse drehbar und über gelenkig miteinander verbundene Lenkerhebel 7 und Leitschaufelhebel 8 mit jeder Leitschaufel 2 verbunden. Der obere Kragen des feststehenden Traversenringes 4 ist bis auf die Höhe des außerhalb des Teilkreisdurchmessers 1 der Leitschaufeln 2 angeordnetem Regulierringes 3 geführt. Die Servomotore 5 sind zwischen dem Regulierring 3 und dem Traversenring 4 angeordnet.

Der Regulierring 3 ist in Lagerstellen 6 am Traversenring 4 radial und axial geführt. Die Lenkerhebel 7 sind über eine Schaftlänge mit einem konstanten Kreisquerschnitt als Dehnstück ausgeführt. Der Regulierring 3 besteht aus zwei einzelnen, parallel übereinanderliegenden Ringen, einem oberen Ring 10 und einem unteren Ring 11, deren Querschnitt jeweils ein Rechteck ist.

Die Anordnung erfolgt so, daß der Regulierring 3 einen symmetrischen Aufbau zu einer im rechten Winkel zur Turbinenachse 9 liegenden Symmetrieebene 16 hat und die längere Seite des Rechteckquerschnittes der Ringe 10; 11 parallel zu dieser Symmetrieebene 16 verläuft. Zwischen dem oberen Ring 10 und dem unteren Ring 11 sind in einer Anzahl gleichmäßig über den Umfang verteilt Distanzstücke 15 eingesetzt und fest mit den Ringen 10; 11 verbunden, die die Formstabilität des Regulierringes 3 sichern. Entsprechend der Anzahl der Leitschaufeln 2 sind in den oberen Ring 10 und unteren Ring 11 gleichmäßig über den Umfang verteilt vertikale Bohrungen eingebracht, die zur gelenkigen Ankopplung der Lenkerhebel 7 dienen. Diese stellen wiederum die Verbindung zu den Leitschaufeln 2 her. Die Ankopplung der Lenkerhebel 7 erfolgt jeweils über eine Verbindung Bolzen-Buchse. Des weiteren befinden sich zwischen den Ringen 10; 11 gleichmäßig über den Umfang verteilt Zwischenstücke 12. Die Zwischenstücke 12 sind fest mit den beiden Ringen 10; 11 verbunden. Die Zwischenstücke 12 sind über die Außenkante der beiden Ringe 10; 11 hinausgeführt und in diesem Bereich mit vertikalen Bohrungen versehen. Die Bohrungen dienen zur Ankopplung der sich radial außerhalb des Regulierringes 3 befindenden Servomotoren 5. Die Ankopplung der Servomotoren 5 erfolgt gelenkig über eine Verbindung Bolzen-Buchse. An den Lagerstellen 6 sind radiale und axiale Lagersegmente 13; 14 fest mit dem Regulierring 3 verbunden. Die radialen Lagersegmente 13 sind dabei zwischen den Ringen 10; 11, die axialen Lagersegmente 14 auf der Unterseite des unteren Ringes 11 befestigt. Die konstruktive Ausführung des Regulierringes 3 erfolgt in der Form, daß alle Radialkräfte in der im rechten Winkel zur Turbinenachse 9 liegenden Symmetrieebene 16 des Ringquerschnittes in den Regulierring 3 eingeleitet sind.

So ist z. B. gemäß Fig. 1 die erfindungsgemäße Einrichtung für die Verstellung von 20 Leitschaufeln einer Wasserturbine vorgesehen.

Weiterhin sind fünf gleichmäßig über dem Umfang verteilte Lagerstellen 6 für den Regulierring 3 und zehn Servomotoren 5 angeordnet, die über zehn Zwischenstücke 12 Antriebskräfte auf den Regulierring 3 übertragen. Die Verbindungsstellen zwischen dem Regulierring 3 und den Lenkerhebeln 7 sowie den Lenkerhebeln 7 und den Leitschaufelhebeln 8 sind als Drehgelenke mit einer Achse parallel zur Turbinenachse 9 ausgebildet. Die Anordnung der Leitschaufelhebel 8 und der Lenkerhebel 7 zum Regulierring 3 ist so gewählt, daß in den Lenkerhebeln 7 in der Schließstellung der Leitschaufeln 2 Zugkräfte auftreten. Die Lenkerhebel 7 sind als Zugstäbe dabei so dimensioniert, daß bei Maximalbelastungen (Einklemmen von Fremdkörpern) bleibende Form änderungen auftreten und damit die Lenkerhebel 7 die Funktion einer Über lastsicherung für die Leitschaufeln 2 übernehmen.

Der konstante Querschnitt und die zugehörige Länge der Lenkerhebel 7 sind so gewählt, daß während des Betriebes auftretende Relativverschiebungen und Neigungsänderungen zwischen den Anschlußpunkten der Lenkerhebel 7 an die Leitschaufelhebel 8 und den Regulierring 3 durch zulässige elastische Formänderungen der Lenkerhebel 7 ausgeglichen werden. Beim Drehen des Regulierringes 3 werden die Leitschaufeln 2 mittels der Lenkerhebel 7 geöffnet und geschlossen. Die Kräfte aus den Servomotoren 5 und den Lenkerhebeln 7 sowie die radialen Reaktionskräfte aus den Lagerstellen 6 treten in der Symmetrieebene 16 des Regulierringquerschnittes senkrecht zur Turbi nenachse 9 in den Regulierring 3 ein.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung wird der Gleichlauf aller Leitschaufeln 2 in allen Betriebszuständen einschließlich aller denkbarer Havarielastfälle gewährleistet. Durch die Einleitung aller am Regulierring 3 angreifenden Kräfte in einer Ebene, die die Symmetrieebene des Regulierringquerschnittes ist, und die gleichmäßige Verteilung der angreifenden Kräfte über den Umfang wird die mechanische Beanspruchung des Regulierringes 3 entscheidend verringert. In der Folge ist der Regulierring 3 in seinen Querschnittsabmessungen kleiner gehalten, so daß der Regulierring 3 und die Servomotoren 5 innerhalb des oberen Kragens des Traversenringes 4 angeordnet werden können. Dadurch ist innerhalb des Teilkreisdurchmessers 1 der Leitschaufeln 2 eine ähnlich gute Zugängigkeit zu anderen Baugruppen (Rohrleitungen, Lager, Stopfbuchse) gegeben, wie bei außenliegenden Einzelservomotoren mit elektronischer Gleichlaufsteuerung.

Alle Reaktionskräfte aus der Verstellung der Leitschaufeln 2 werden in den oberen Kragen des Traversenringes 4 eingeleitet. Eine konzentrierte Kraft einleitung in einzelne Punkte des umgebenden Fundamentes wird vermieden. Die Lenkerhebel 7 erfüllen durch ihre Gestalt die Funktion einer Überlast sicherung für die Leitschaufeln 2, so daß keine gesonderten derartigen Elemente erforderlich sind. Bei Überschreiten einer bestimmten Zugkraft in den Lenkerhebeln 7 kommt es im Bereich der Schaftlänge mit dem Querschnitt konstanter Größe durch Gleichmaßdehnung zu einer bleibenden Längen änderung, wodurch im Fall des Einklemmens eines Fremdkörpers zwischen zwei benachbarten Leitschaufeln 2 beim Schließen des Leitapparates die Laufunterschiede dieser Leitschaufeln 2 ausgeglichen und die Leitschaufeln 2 selbst vor Überlastung geschützt werden.

Die der bleibenden Längenänderung der Lenkerhebel 7 zugeordnete Kraft bleibt dabei mit ausreichender Sicherheit unter der Grenzlast (Versagen durch Bruch als Zugstab), so daß die Führung der betroffenen Leitschaufeln 2 ge wahrt bleibt. Lenkerhebel 7 mit bleibender Längenänderung nach einer solchen außergewöhnlichen Belastungen werden ausgetauscht.

Ebenso kann auf die Verwendung von hochwertigen und verschleißanfälligen Kipplagern an den Anschlußpunkten der Lenkerhebel 7 an die Leitschaufelhebel 8 verzichtet werden, da die Lenkerhebel 7 die im Betrieb auftretenden Relativverschiebungen und Neigungsänderungen durch zulässige elastische Formänderungen ausgleichen.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1

Teilkreisdurchmesser

2

Leitschaufel

3

Regulierring

4

Traversenring

5

Servomotor

6

Lagerstelle

7

Lenkerhebel

8

Leitschaufelhebel

9

Turbinenachse

10

Ring

11

Ring

12

Zwischenstück

13

radiales Lagersegment

14

axiales Lagersegment

15

Distanzstück

16

Symmetrieebene des Regulierungsquerschnittes

Claims

1. Einrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln von Strömungsmaschinen, insbesondere von Wasserturbinen, mit einem innerhalb des oberen Kragens des Traversenringes und außerhalb des Teilkreisdurchmessers der Leitschaufeln sowie zentrisch zur Turbinenachse angeordneten Regulierring, der über eine Anzahl gleichmäßig über den Umfang verteilten sowie zwischen dem Regulierring und dem Traversenring angeordneten Servomotoren drehbar und über gelenkig miteinander verbundene Lenkerhebel und Leitschaufelhebel mit jeder Leitschaufel verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß die Lenkerhebel (7) über eine Schaftlänge mit einem konstanten Kreisquerschnitt ausgeführt sind, so daß sich die im Havarielastfall betroffenen Lenkerhebel (7) der sich schließenden Leitschaufeln (2) durch Gleichmaßdehnung bleibend dehnen und die Kräfte aus den Servomotoren (5) und den Lenkerhebeln (7) sowie die radialen Reaktionskräfte aus den Lagerstellen (6) in einer Ebene senkrecht zur Turbinenachse (9) in den Regu lierring (3) eingeleitet sind, wobei der Regulierring (3) in seinem Querschnitt symmetrisch zur Krafteinleitungsebene ausgebildet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Regulierring (3) aus zwei einzelnen, mit Abstand fluchtend übereinanderliegenden Ringen (10; 11) gebildet ist, die Lenkerhebel (7) von innen zwischen den Ringen (10; 11) an diesen gelenkig befestigt sind sowie zwischen den Ringen (10; 11) nach außen geführte Zwischenstücke (12) angeordnet sind, an denen die Servomotoren (5) gelenkig angekoppelt sind und die gleichmäßig über den Umfang der Ringe (10; 11) verteilten Lagerstellen (6) aus je einem radialen Lagersegment (13) und einem axialen Lagersegment (14) gebildet sind.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Ringe (10; 11) mit über den Umfang gleichmäßig verteilten und zwischen den Ringen (10; 11) angeordneten Distanzstücken (15) fest miteinander verbunden sind, wobei die Ringe (10; 11) mit einem Rechteckquerschnitt ausgeführt sind, deren längere Seite jeweils in einer senkrecht zur Turbinenachse (9) liegenden Ebene angeordnet ist.

4. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Lenkerhebel (7) mittels einer Verbindung Bolzen-Buchse an gleichmäßig über den Umfang der Ringe (10; 11) verteilten vertikalen Bohrungen gelenkig angekoppelt sind.

5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zwischenstücke (12) im über die Außenkante der Ringe (10; 11) geführten Bereich mit vertikalen Bohrungen versehen sind, wobei die Servomotoren mittels einer Verbindung Bolzen-Buchse mit diesen Bohrungen verbunden sind.

6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß das radiale Lagersegment (13) zwischen den beiden Ringen (10; 11) und das axiale Lagersegment (14) an der Unterseite des unteren der beiden Ringe (10; 11) angeordnet und fest mit den Ringen (10; 11) verbunden sind.