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Wellendrehvorrichtung für Uurbomaschinen, inb. Gasturbinen Die Erfindung
bezieht sich auf f eine Wellendrehvorrichtung insb.
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für Turbomaschinen, wie Gasturbinen, bei welcher zum Losbrechen und
Beschleunigen der Welle sowie ggf. zum Turnen die Welle über eine schaltbare oder
Uberholkupplung durch ein Antriebsorgan antreibbar ist. - Es sind mit einer Ölturbine
arbeitende Wellendrehvorrichtungen, insb. für Dampfturbinen großer leistung, bekannt
geworden, die sich an sich bewährt haben, da. sie neben einer einfachen Ausbildung
den Vorteil haben, Turndrehzahlen von 100 U/min und mehr zu ermöglichen, wobei bei
Ausschalten der Maschine der Übergang von der Betriebsdrehzahl auf die Turndrehzahl
ohne Stillsetzung der Maschine erfolgen kann. Es ist jedoch hierbei zur Erleichterung
des Anfahrens aus dem Stillstand auf die Turndrehzahl eine Druckölentlastung erforderlich,
durch welche durch Drucköl die Welle vorübergehend angehoben und damit die Reibung
der Ruhe und die Mischreibung erheblich reduziert werden0 Für kleinere und mittlere
Turbosätze mit Getriebe ist eine solche ölhydraulische Drehvorrichtung jedoch verhältnismäßig
aufwendig, zumal bei Ga.sturbinen gesonderte Anfa.hrvorrichtungen zum Beschleu nigen
der Welle auf Nenndrehzahl vorgesehen werden müssen. Nun ist es auch bereits bekannt,
zusätzlich zu Ölturbinen mechanische Drehvorrichtungen vorzusehen, die nur kurzzeitig
in Betrieb sind und das hohe Losbrechmoment aufbringen sollen (deutsches Gebrauchsmuster
li 1 827 430). Dera.rtige mechanische Anfa.hreinrichtungen müssen jedoch für das
größtmögliche Anfahrmoment dimensioniert werden, was einen erheblichen Aufwand bedeutet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wellendrehvorrichtung
insb. für Turbomaschinen, wie der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher
ein sehr großes Drehmoment zum Losbrechen und Beschleunigen der Welle aufgebracht
werden kann, ohne daß die Wellendrehvorrichtung wie bei den geschilderten Maschineneinrichtungen
überdimensioniert werden müßte. Diese Aufgabe
wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß das Antriebsorgan ein hydrostatischer Motor (Hydromotor) ist,
dem von einer hydrostatischen Verstellpumpe mit Antriebsmotor die Druckflüssigkeit
zuleitbar ist, wobei ein auf die Verstellpumpe wirkender Regler abhängig vom Vorla.ufdruck
der Pumpe letztere auf im wesentlichen konstante Leistung regelt. Die Vorteile der
Erfindung sind vor allem darin zu sehen, daß mit einer kleinen Leistung ein großes
Anfahrmoment erzeugt werden kann. Der Antriebsmotor braucht nur so groß gewählt
zu werden, wie es für den normalen Turnbetrieb erforderlich ist. Besonders vorteilhaft
ist es hierzu, wenn ein ölhydraulischer Motor und eine ölhydraulische Verstellpumpe
verwendet sind und daß parallel zur Verstellpumpe der Hydromotor durch eine Hilfsölpumpe
beaufschlagbar ist, wobei die beiden Pumpen über je ein Rückschlagventil an den
Zulauf des H.dromotors angeschlossen sind und wobei Hydromotor und Hilfsölpumpe
so bemessen sind, daß nach dem Hochfahren der Turbomaschine und beim Turnen der
Druck der Hilfsölpumpe zum Weiterdrehen genügt. Es ist auf diese Weise ein und dasselbe
blversorgunges.rstem mit Ölbehälter sowohl zur Schmierölversorgung wie auch zum
Antreiben des Ö1-motors zu verwenden; außerdem besteht hierbei die Möglichkeit,
die Verstellpumpe nur zum Anfahren einzusetzen, während das Turnen durch Drucköl
der Lagerhilfsölpumpe bewirkt werden kann.
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Die eingangs geschilderte Aufgabe wird erfindungsgemäß auch durch
eine Wellendrehvorrichtung gelöst, bei welcher zur Erzeugung des zum Losbrechen
und Beschleunigen erforderlichen hohen Druckes für den Hydromotor ein hydrostatischer
Druckübersetzer (Stufenkolben) in der Vorlaufleitung einer Ölpumpe eingeschaltet
ist, wobei die an den Pumpenausgang angeschlossene Niederdruckseite und die a.n
den Hydromotor-Bingang angeschlossene Hochdruckseite des Stufenkolbens durch ein
Rückschlagventil überbrückt sind. Hierdurch kann die hydrostatische Verstell- bzw.
Regelpumpe einschließlich Leistungsregler eingespart werden. Zweckmäßig ist-hierbei
ein abhängig vom Vorlau'fdruck'umschaltbares Dreiwegemagnetventil vorgesehen, durch
welches beim Anfa.hrvorgang der Niederdruckseite des Stufenkolbens das Pumpenöl
zuleitbar ist, wogegen das Magnet ventil beim Absinken des Vorlaufdruckes unter
einen Minimalwert
die Niederdruckseite des Stufenkolbens zwecks
Rückstellung mit einem Öla.bla.uf verbindet.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sowie ihre Wirkungsweise
werden im folgenden anhand der zwei Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung
erläutert, in welcher zeigen: Fig. 1 die Wellendrehvorrichtung nach der Erfindung
mit ydromotor und hydrostatischer Verstellpumpe in einem h.vdra,ulischen Schaltplan,
teilweise mit schematisch angedeuteter konstruktiver Darstellung; Fig. 2 eine Abwandlung
des Gegenstandes na.ch Fig. 1 mit einem hydrostatischen iruckwandler (Stufenkolben)
anstelle der Verstell pumpe in entsprechender Darstellungsweise; Fig. 3 ein tJberlaufgefäß,
das für die Vorrichtung nach Fig. 1 mit Vorteil verwendbar ist.
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In Fig. 1 ist eine Wellendrehvorrichtung für eine nicht dargestellte
Gasturbine gezeigt, bei welcher zum Losbrechen und Beschleunigen der Welle 1 sowie
zum tarnen die Welle 1 über eine schaltbare oder Überholkupplung 2 von einem Antriebs
organ 3 antreibbar ist. Dieses ist ein hydrostatischer bzw. hydraulischer Ölmotor,
im folgenden als Hydromotor bezeichnet, welchem von einer hydrostatischen Verstellpumpe
4 mit Antriebsmotor 5 das Drucköl zuleitbar ist, und zwar über die mit einem Rückschlagventil
6 versehene Vorlaufleitung 7, wobei das Drucköl nach Verlassen des Hydromotors 3
über Leitung 8 und ein Filter 9 dem Zufluß der Verstellpumpe 4 wiederum zugeführt
wird. Überschüssiges oder zu entleerendes Drucköl kann über die Abzweigleitung 10
und das Ventil V2 in den Ölbehälter 11 gelangen; ferner ist an die RUcklaufleitung
8 bei 12 eine Uberlaufleitung 13 angeschlossen, welche über die Drossel 14 gleichfalls
,in den Ölbehälter 11 führt.
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Die Verstellpumpe 4 kann allgemein eine hydraulische Regelpumpe
sein,
also eine Flügelzellenpumpe oder eine Radialpumpe mit Stern anordnung der Kolben,
welche Pumpen durch Veränderung ihrer Exzentrizität regelbar sind; es kann jedoch
auch eine Axia.lpumpe mit Trommelanordnung der Kolben und mit Schwenkrahmen, Schwenkscheibe
oder Trommelscheibe sein. Derartige regelbare hydraulische Pumpen sind bekannt und
beispielsweise in dem Buch "Hydraulische Antriebe und Elektrohydraulik im Maschinenbau"
von A. Dürr und Q. Wachter, Hanser-Verlag München 1958, insb. S. 4.6 bis 74, beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel ist eine Axialpumpe mit Trommelanordnung der Kolben verwendet,
deren Antriebswelle 4a an die Welle 5a des elektrischen Antriebs-Motors, z. B. eines
Asynchronmotors, über die Kupplung 15 starr verbunden ist. Als Regler 16 ist ein
federbelasteter Stellkolben 16a verwendet mit Rückstellfeder 16b, dessen Kolbenstange
16c an den Schwenkhebel 4b der Verstellpumpe 4 angelenkt ist und dessen Kolbenraum
16d vom Vorlaufdruck pl über die an die Vorlaufleitung 7 angeschlossene Steuerleitung
16e beaufschlagt ist. Der Regler 16 arbeitet so, daß er die Verstellpumpe 4 und
damit den Antriebsmotor 5 auf im wesentlichen konstante Leistung regelt, wobei bei
großem Vorlaufdruck p1 der Kolben 16a entgegen der Kraft der Feder 16b nach links
verschoben wird und hierbei über den Hebelarm 4b den Schwenkwinkel für die nicht
dargestellten Kolben und damit deren Hub verkleinert, während im umgekehrten Falle,
d. h. bei a.bfallendem Vorla.ufdruck pi der Kolbenhub der Regelpumpe 4 und damit
die Fördermenge vergrößert wird. - Der Hydromotor 3 ist ein Axialkolbenmotor, der
jedoch nicht regelbar zu sein braucht. Grundsätzlich kann es sich um einen Hvdromotor
beliebiger Bauform, so wie hinsichtlich der Verstellpumpe 4 bereits erläutert, handeln,
also um einen Zahnradmotor, einen Flügelzellenmotor oder um Xadial- bzw. Axialkolbenmotore.
Die zuletzt genannten werden bei Verwendung einer Axialpumpe bevorzugt wegen gleichartigen
Aufbaues und gleichartiger Charakteristik verwendet.
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Der Hydromotor 3 ist durch eine Hilfsölpumpe 17 parallel zur Verstellpumpe
4 beaufschlagbar, welch letztere vom Elektromotor 17a angetrieben, das Drucköl über
Kühler 18, Ventil V3, Filter 79, Leistung 20 mit Rückschlagventil 21 hinter dem
Rückschlagventil 6
in die Vorlaufleitung 7 an dem Verzweigungspunkt
22 einspeist.
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Ferner führt hinter dem Filter 19 eine weitere Ölleitung 23 über ein
Frischölventil V1 und eine Drossel 24 in die Rücklaufleitung 8. In diese Leistung
8 speist die.Hilfsölpumpe 17 bei geschlossenem Rückschlagentil 21 Frischöl ein,
wogegen das Ventil V1 druckabhängig in die Schließstellung bringbar ist, sofern
der Druck p2 hinter dem Rückschlagventil 21 auf einen das Öffnen des letzteren bewirkenden
Wert abfällt. Hierzu ist ein Druckwächter mit Druckmeßleitung 25a vorgesehen, der
über die elektrische Zeitung 25b das als Magnetventil ausgebildete Ventil V1 Öffnen
oder Schließen kann Im übrigen bedeuten: 26 eine hinter dem Kühler 18 zu den Turbinenlagern
führende Schmierölleitung, 27, 28 vom Hydromotor 3 bzw. der Verstellpumpe 4 in den
Ölbehälter führende Leckölleitungen, 29 die Ansaugleitung der Hilfsölpumpe 17, 30
die Abdeckung des Ölbehälters 11, 31 einen Entlüftungskanal am Ölbehälter 11 und
32 ein Überdruckventil, durch welches Vor-und Rücklaufleitung 7, 8 der Verstellpumpe
4 bei Überschreiten zulässiger Druckwerte in der Vorlaufleitung 7 iiberbrückbar
sind.
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Beim Anfahren steht zum Losbrechen und Beschleunigen der Turbinenwelle
1 ein sehr großes Moment zur Verfügung, da. der Regler 16 a.ufgrund des hohen Vorlaufdruckes
p1 die Pumpe 4 auf kleine Fördermenge zurücknimmt. Der Hydromotor 3 beginnt sich
zu drehen, und mit zunehmender Drehzahl sinkt das erforderliche Drehmoment und da.mit
der Gegendruck der Verstellpumpe 4 soweit ab, daß das Rückschlagventil 21 sich öffnet
und zugleich das Ventil V1 geschlossen wird. Der Hydromotor kann nunmehr sowohl
durch Hilfsölpumpe 17 als auch durch Verstellpumpe 4 eingespeist werden; es ist
jedoch auch möglich, nach Beendigung des Anfahrvorganges, z. B. über den Druckwächter
25, den Elektromotor 5 abzuschalten. Dies könnte auch zeitabhängig geschehen, da
die Hochlaufzeit des Turbosatzes bekannt ist, oder abhängig vom Drehzahl-Istwert
des Turbosatzes. Diese Kriterien könnten aus Sicherheitsgründen zur Abschaltung
des Motors 5 auch kombiniert eingesetzt sein. Die Hilfsölpumpe 17 und der Hydromotor
3 lassen sich nun so auslegen, daß zum Turnen der Druck der Hil£ölpumpe 17 genügt,
d. h. zum Turnvorgang die Verstellpumpe 4
nicht erforderlich ist.
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Das in Fig. 3 dargestellte Überlaufgefäß Ü kann innerhalb der Wellendrehvorrichtung
nach Fig. 1 an der durch den gestrichelten Linienzug8' hervorgehobenen Stelle eingesetzt
werden. Die dort vorhandenen Leitungen sind in Fig. 3 mit den entsprechenden Bezugszeichen
versehen, und zwar ist die Ablaufleitung 13 in Ölspiegelhöhe s an den Behälter Ü
angeschlossen, die Zuleitung 33 für das aus dem Hydromotor 3 kommende warme Drucköl
ist unterhalb des Ölspiegels s, jedoch oberhalb der Frischölzuleitung 23 angeschlossen.
Schließlich ist unterhalb der Frischölzuleitung 23 die zur Verstellpumpe 4 führende
Rücklaufleitung 8 angeschlossen. Durch diese Anordnung wird erreicht, daß der Verstellpumpe
4 immer relativ kühles Öl zugeführt wird, während sich das spezifisch leichtere
heiße Durchlauföl aus dem Hydromotor 3 an der Oberfläche s absetzt und über Leitung
13 in den Hauptbehälter 11 abfließt. Die Drossel 14 entfällt bei dieser Anordnung.
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Durch das Ventil V3 ist die Hilfsölpumpe 17 vom Turn- und Anfahrkreislauf
abschaltbar, insb. deshalb, um die Funktion von Hydromotor und Verstellpumpe getrennt
überwachen zu können.
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In Fig. 2 ist zur Erzeugung des zum Losbrechen und Beschleunigen erforderlichen
hohen Druckes für den Hydromotor 3 ein hydrostatischer Druckübersetzer in Form eines
Stufenkolbens 34 in die Vorlaufleitung 35 der Hilfsölpumpe 17 eingeschaltet, wobei
die an den Pumpenausgang angeschlossene Niederdruckseite 34 n und die a.n den Hydromotor-Eingang
angeschlossene Hochdruckseite 34 h des Stufenkolbens 34 durch ein Rückschlagventil
36 überbrückt sind.
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Im übrigen sind gleiche Xeile zu Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen
versehen. Die Pumpe 17 speist hinter dem Kühler 18 über Leitung 37 mit Ventil 38
somit 2 parallele Pfade, nämlich einmal die Vorlaufleitung 39 mit Rückschlagventil
36 und zum anderen übr Leistung 40, Dreiwege-Magnetventil 41 und Leitung 42 den
Stufenkolben 34, dessen Hochdruckseite 34h huber Leitung 43 hinter dem Rückschlagventil
36 in die Vorlaufleitung 35 mündet. Des weiteren bedeuten: 44 einen Druckwächter
zur Erfassung des Vorlau.fdruckes
p1 über Meßleitung 44a, 44b die
elektrischen Steuerleitungen des Druckwächters 44 zur Betätigung des Magnetventile
41, 45 eine Ablaufleitung d,es Stufenkolbens 34, 46 eine Ablaufleitung des Magnetventils
41 und 47 ein Ölfilter in der Vorlaufleitung 35. Durch das Magnetventil 41 wird
beim Anfahrvorgang der Niederdruckseite 34n des Stufenkolbens 34 das Drucköl der
Pumpe 17 zugeleitet, und zwar über die Wege 41a, 41b. Der große Kolben 34a des Druckübersetzers
wird damit gehoben, wobei im Kolbenraum 34c des Hochdruckkolbens34b entsprechend
dem Flächenverhältnis der Kolben 34a, 34b ein wesentlich größerer Öldruck ansteht,
der das erforderliche Losbrech-Drehmoment und Anfahrmoment für den Hydromotor 4
aufbringt. Si,'ach Absinke@ des Vorlaufdruckes p1 schaltet der Druckwächter 44 das
Dreiwegeventil 41 um, so daß die Niederdruckseite 34n des Stufenkolbens 34 mit der
Ablaufleitung 46 verbunden wird. Der Stufenkolben 34a., 34b geht innerhalb seines
Gehäuses 34d damit in seine Ausga,ngsstellung zurück und ist für den nächsten Anfahrvorgang
bereit. Mit absinkendem Vorlaufdruck p1 hat zugleich das Rückschlagventil 36 geöffnet,
und die Pumpe 17 kann nunmehr direkt zum Hydromotor 3 fördern. Der Vorteil der ellendrehvorrichtung
nach Fig. 2 ist im wesentlichen der, daß keine gesonderte hydrostatische Verstellpumpe
4 mit Antriebsmotor 5 benötigt wird.
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Die Erfindung ist mit besonderem Vorteil für Turbinen anwendbar, zum
Losbrechen und Beschleunigen auf Turndrehzahl und zum turner.
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Jedoch kann die Erfindung auch zum Losbrechen und Anfahren von ellen
anderer schwer anlaufender Maschinen und ggf. zum Beschleunigen auf Betriebsdrehzahl
- wenn das Losbrechmoment wesentlich höher als das Betriebsmoment liegt - verwendet
werden.
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9 Ansprüche @ Figuren