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.
Hydrodynamically acting torque converter
The invention relates to a hydrodynamically acting torque converter which is used in particular to start up a storage pump driven by an electric motor or motor generator.
Known torque converters of this type have a pump impeller and a turbine impeller, which are arranged in a common ring housing with the interposition of a diffuser which does not rotate with them. The pump impeller is coupled to the electric motor during operation and the turbine impeller to the storage pump to be started.
To switch on the converter, the ring housing is filled with a hydraulic transmission medium, usually with water, and the pump impeller is driven with the aid of the electric motor. The hydraulic transmission medium flows, guided by the diffuser, to the turbine runner and drives it. Accordingly, a flow of the transmission medium is formed which - viewed in the longitudinal section of the device - runs in the circumferential direction of the ring housing. The maximum transmittable torque can be set to a desired limit value by throttling the mid-transmission current.
In the known devices, the throttling is brought about either by opening the adjustable guide apparatus to a greater or lesser extent or by inserting a throttle slide, which is usually in the form of an annular slide, more or less far into the transfer medium flow.
Hydrodyne, amically acting torque converters of the type described are used to increase the speed of the storage pump impeller from the stilile level to such an extent that the drive shaft of the impeller rotates synchronously with the output shaft of the electric motor. Once this state has been reached, a gear clutch is engaged and the drive work is transmitted through it. The torque converter can now be switched off, which is done in the simplest way by emptying the ring housing.
In addition to the task described, hydrodynamically acting torque converters also have another task in hydraulic pumped storage units, which is to brake the pole wheel of the electrical machine as quickly as possible after the machine has been switched off so that the bearings of the electrical machine are protected. This can be done in such a way that the torque converter is filled with water after the electric motor has been switched off. The increased friction torque of the pump impeller of the converter, which now rotates in water instead of air, consumes the rotational energy, so that the speed decreases.
Braking with the converter is only effective in the upper speed range, however, because the braking effect decreases relatively quickly according to a parabolic law as the speed drops. This fact means that converters of the known type are not suitable for completely braking the pole wheel until the machine comes to a standstill.
For this reason, the practice has hitherto been such that the electrical machine in the lower speed range, approximately from 50% of the normal speed, is braked electrically to a standstill. It has been found, however, that with very powerful electrical machines of several 100 MW, the electrical devices required for braking in the lower speed range are very complex and large. We therefore endeavor to do without them if possible.
In this situation, the task is to propose a hydrodynamically acting torque converter which is suitable both for starting the storage pump from standstill and for braking the electrical machine from normal speed to standstill.
According to the invention, to solve this problem it is assumed that it should be possible to apply pressure water to the pump impeller of the converter for braking such that it is driven in the opposite direction to the direction of rotation of the pump impeller like a Francis turbine. If this happens, as a result of the reversed torque, the running wheel would first have to be braked to a standstill, then reversed in its direction of rotation and then accelerated again. At the moment when the impeller comes to a standstill and is about to start running in the opposite direction, the pressurized water can be switched off so that the machine remains at a standstill.
To implement this idea, a hydrodynamically acting torque converter of the type described above is proposed according to the invention, which is characterized in that the spaces located behind the pump blades when working in the flow direction have a pressurized water line and those located in front of the pump blades when working Spaces are connected to the inner housing via channels and this is connected to a sewage pipe via further channels leading through the guide vanes and the outer housing.
In one embodiment, the pressurized water line can be connected to the head water of the hydraulic system. Locking devices can be arranged both in the pressurized water line and in the sewage line, which make it easier to catch the device when the machine is at a standstill.
The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. They represent:
1 shows a schematic longitudinal section through an exemplary embodiment of the torque converter according to the invention;
FIG. 2 shows a schematic cross section along the line A-A of FIG. 1.
In the longitudinal section through the torque converter shown in FIG. 1, the outer ring housing is denoted by 1. In this housing, the pump impeller 2 and the turbine impeller 3 are arranged opposite one another in the axial direction. Between them there is the diffuser 4, whose guide vanes 4 ', shown only in FIG. 2, are attached on the one hand to the outer ring housing 1 and on the other hand to an inner ring housing 5.
The pump impeller 2 is equipped with a plurality of pump blades 6 arranged distributed over the outer circumference and is fastened with the impeller hub 7 on the end 8 of the drive shaft 9. The drive shaft 9 is non-positively connected to an electric motor when in operation.
The end 8 of the drive shaft 9 merges into a head piece 10, which is shaped to promote flow and which deflects the annular flow in the inner part of the annular housing 1. The head piece 10 is further connected to a final piece 11 which carries the part 12 of the gearwheel coupling 13 driven by the drive shaft 9.
The turbine runner 3 is occupied by turbine blades 14 and it merges with the output shaft into the, for example, hemispherical intermediate piece 15, which in turn is connected to the output shaft 16 leading to the storage pump. The intermediate piece 15 carries the coupling part 17 inside, which, like the coupling part 12, is equipped with an internal toothing 18. In the interior of the coupling part 17, the gear 20 equipped with an external toothing 19 is axially displaceable and can be displaced with the aid of the coupling rod 21, which is guided outwards centrally through the output shaft 16.
This makes it possible to connect the two coupling halves 12 and 17 to one another at standstill or with synchronous rotation and thus to couple the shafts 9 and 16 directly to one another.
To start up the storage pump connected to the shaft 16, the electric motor is first put into operation and the shaft 9 is driven in this way. The ring housing 1 is then filled with water, whereupon, as a result of the pumping action of the pump valve 6, a flow is established, the direction of which is indicated by the dashed arrows 22. The flow of the working medium is directed by the diffuser 4 onto the turbine blade 14 and drives it.
In the example shown, a ring-shaped throttle slide 23 is arranged shortly before the turbine blade, which serves to set the flow to a desired value and thus to limit the maximum torque that can be transmitted.
The torque converter can serve not only to start up the storage pump to be driven from standstill to synchronous speed, but also to brake the electric motor connected to the drive shaft 9 when the pump is uncoupled.
For this purpose, the spaces 24 behind the pump blades 6 in the flow direction are connected to a pressurized water line 25 and the spaces 26 in the flow direction in front of the pump blades 14 with the inner housing 5 via channels 27 Channels 28 leading through the guide vanes 4 'of the guide apparatus 4 and the outer housing 1 are connected to a sewer line 29. The pressurized water line 25 leads via one or more shut-off valves 30, for example to the upper water of the hydraulic system, and the waste water line 29 leads via one or more shut-off valves 31, for example to the lower water.
As a result of this described embodiment of the converter, it is possible to brake the pump impeller 2, or the electrical machine connected to it via the shaft 9, through the line 25 to introduce pressurized water into the spaces 24, which then, as the flow along the Arrow 22 is blocked by the retracted ring slide 23, the pump blades 6 acted along the flow arrow 32, so that they act like a Francis turbine and exert a braking torque on the impeller 2 due to the now reversed flow direction.
After leaving the pump impeller, the pressurized water flows along the arrow 33 through the channel 27, from there into the interior of the ring housing 5 and from there through the channel 28 into the waste water drainage line 29.
As soon as the pump impeller 2 and thus the shaft 9 and the electric motor coupled to it are braked so far that they come to a standstill, the shut-off valves 30 and 31 are closed, whereupon the device can be completely put out of operation by emptying.
In order to allow the amount of pressurized water required for braking to enter the device as optimally as possible, it is proposed that a pressurized water supply line 25 be arranged between each two adjacent guide vanes 4 ', which in turn is provided with an annular distributor to be connected to the upper water. Line 25 "are connected. The distributor line 25" is advantageously large or welded to the housing 1 of the device. Accordingly, each guide vane 4 'should also have a channel 28 connected to the inner housing 5, all channels 28 outside the outer housing 1 opening into a ring line 29' to be excluded from the underwater.
To initiate the braking process, it is essential that the normal flow of the working medium, which is shown in the drawing by the arrows 22, is interrupted. In the example shown, this is done by fully retracting the ring gates 23.
In deviation from this, however, it is also possible to equip the guide apparatus 4 with adjustable guide vanes 4 'which are adjustable to such an extent that the guide apparatus can be completely closed. Diffusers of this type are known per se; However, contrary to the previously known type, they are not required for torque converters, since there is no reason to close them completely and the throttle device only serves to limit the torque to be transmitted.
Instead of equipping the entire diffuser 4 with adjustable vanes 4 ', it can be advantageous for construction reasons to connect a further, smaller diffuser with adjustable vanes as a throttle element to the diffuser known per se with fixed vanes. The guide vanes of this upstream device must also be completely closable.
Reinforcing ribs 34 are preferably arranged in the interior of the inner housing 5, which give the inner housing the required strength. So that the reinforcement ribs 34 do not subdivide the inner housing into a plurality of chambers, it is proposed to arrange cutouts 37 in the area of the inflow openings 35 and the outflow openings 36.
In order to facilitate the interception of the device when the pump impeller 2 or the shaft 9 is at a standstill, it is further proposed to arrange a backstop 38 on the shaft 9, which is connected, for example, to the stationary parts of the housing 1 or anchored in the foundation. A backstop of this type, the structure of which is known, prevents the direction of rotation of the shaft from being reversed and makes a close observation of the device during braking superfluous.