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Planetenradschaltgetriebe, insbesondere für Wasserkraftanlagen Die
Erfindung bezieht sich auf ein Planetenradschaltgetriebe, insbesondere für Wasserkraftanlagen,
bei dem innerhalb des Getriebegehäuses eine schaltbare Kupplung mit dem inneren
Sonnenrad verbunden ist. Vorzugsweise kann der Gegenstand der Erfindung bei einem
aus Turbine, Planetenradgetriebe und Generator bestehenden Maschinenaggregat verwendet
werden, bei dem eine den Kraftfluß zwischen Getriebe und Generator unterbrechende
Abschaltvorrichtung vorgesehen ist.
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In verschiedenen Zweigen des Maschinenbaues, bei denen Planetenradgetriebe
zum Einsatz gelangen, wird die Forderung gestellt, daß bei Auftreten kritischer
Betriebsverhältnisse eine Unterbrechung des Kraftflusses stattfinden soll. Im besonderen
besteht die Notwendigkeit des Einsatzes derartiger Getriebe bei Wasserkraftanlagen.
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Um den Generator günstig auslegen zu können, ist es notwendig, die
kleinen Betriebsdrehzahlen, z. B. der Rohrturbinen, mittels Planetengetrieben so
zu übersetzen, daß hochtourige Generatoren mit kleinen Abmessungen und geringem
Gewicht verwendet werden können. Bei Verwendung normaler Getriebe müssen die Generatoren
für die hohen Durchgangsdrehzahlen der Turbine ausgelegt werden. Die überdrehzahl
einer Turbine liegt etwa um das Dreifache über der Nenndrehzahl. Um gegenüber den
Fliehkraftwirkungen standzuhalten, müßten die Generatoren als Turbogeneratoren ausgebildet
werden. In den meisten Fällen, insbesondere bei höheren Leistungen, müßte aber die
Generatordrehzahl wieder verringert werden. Turbogeneratoren erfordern einen erheblichen
Kostenaufwand. Eine Verminderung der Drehzahl hat größere Dimensionen und höheres
Gewicht des Generators zur Folge. Beides ist aus räumlichen Gründen, insbesondere
bei Rohrturbinenanlagen, unzulässig.
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Bei einem bekannten Planetenabschaltgetriebe wird von dem Gedanken
ausgegangen, daß das Planetenradgetriebe dann keine Kraftübertragung durchführt,
wenn das äußere Sonnenrad, das während des Betriebs ortsfest bleibt, sich mit dem
Planetenradträger und dem inneren Sonnenrad frei drehen kann. In diesem Falle ist
keine Abstützung der Planetenräder am äußeren Sonnenrad gegeben, so daß das innere
Sonnenrad keine Abtriebsfunktion mehr besitzt.
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Die bekannte Abschaltvorrichtung besteht somit aus einer Schaltbremse,
die auf das äußere Sonnenrad des Planetengetriebes einwirkt. Wenn das Planetengetriebe
den Kraftfluß übertragen soll, bremst die Schaltbremse das äußere Sonnenrad ab,
so daß sich die Umlaufräder am äußeren Sonnenrad abstützen können. Wenn die Turbinendrehzahl
hingegen überhöht ist, öffnet die Schaltbremse und gibt den Zahnkranz des äußeren
Sonnenrades frei. Der Zahnkranz fängt somit an zu rotieren und unterbricht den Kraftschluß
der treibenden und getriebenen Maschine.
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Bei einer derartigen Sicherungsvorrichtung wirkt es sich ungünstig
aus, daß die verwendete Schaltbremse für das hohe Stützmoment ausgelegt werden muß.
Hierbei ist zu bedenken, daß das Bremsmoment nur unwesentlich kleiner als das Moment
an der langsam laufenden Welle ist. Die Folge davon ist, daß die Bremse in vielen
Fällen wesentlich größere Abmessungen als das eigentliche Getriebe besitzen muß.
Auf diese Weise geht der an sich durch Verwendung des Planetenradgetriebes erzielbare
Vorteil der gedrängten Bauweise wieder vollständig verloren.
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Es wurde nun gefunden, daß die Unterbrechung des Kraftflusses bei
kritischen Betriebsverhältnissen durch eine Abschaltvorrichtung vorgenommen werden
kann, die mit dem Planetenradgetriebe verbunden ist. Eine ähnliche Vorrichtung ist
bei einem Hubschrauberantrieb vorbekannt. Dieses Getriebe besteht aus einem zweistufigen
Planetenrädersatz, dessen inneres Sonnenrad mit dem Innenlamellenträger einer Abschaltkupplung
eine körperliche Einheit bildet. Die Kupplung ist bei dem vorbekannten Getriebe
innerhalb des Getriebegehäuses angeordnet.
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Hierbei wird lediglich eine Maßnahme offenbart, wie man den Antriebsmotor
eines Hubschraubers laufen lassen kann, ohne daß die Propeller rotieren. Dies ist
nur sinvoll, wenn in der Werkzeughalle oder für einen Probelauf, jedenfalls nicht
während des Fluges, die Abschaltung vorgenommen werden soll.
Das
vorbekannte Getriebe offenbart daher lediglich eine Maßnahme zur Erleichterung der
Montage.
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Bei der bekannten Konstruktion ist die Verbindung zwischen Kupplung
und Planetenradgetriebe starr. Das Planetenradgetriebe kann nicht selbsttätig einen
Lastdruckausgleich durchführen. Es ist daher nur für Leistungen einsetzbar, die
von einem einzelnen Getrieberad übertragen werden können.
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Sobald aber Drehmomente zu übertragen sind, die, falls sie über ein
einzelnes schwaches Rad geführt werden, dieses Rad zerstören würden, muß eine Leistungsverzweigung
herbeigeführt werden, andernfalls die Getriebe unerwünscht große Dimensionen annehmen
würden.
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Mit der Erfindung ist es gelungen, ein den Lastdruckausgleich .selbsttätig
durchführendes Planetenradgetriebe in Verbindung mit einer an sich bekannten Kupplung
vorzusehen, um beispielsweise bei Kraftanlagen mit erheblicher Leistung eine schnelle
Trennung zwischen dem Generator und der Turbine herbeizuführen. Der Einsatz eines
solchen Getriebes sowie die prinzipielle und konstruktive Lösungsform sind dem Stand
der Technik nicht entnehmbar.
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Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß zum Lastdruckausgleich
das innere Sonnenrad in an sich bekannter Weise ungelagert und mit der Kupplung
über eine elastisch nachgiebige oder gelenkige, an ihren beiden Enden verzahnte
Hülse verbunden ist, deren freie außenverzahnte Seite mit dem auf dem Umlaufräderträger
drehbar gelagerten innenverzahnten Lamellenträger der Kupplung im Eingriff steht.
Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die auf dem Umlaufräderträger drehbar gelagerte
Nabe des Innenlamellenträgers einen Zylinder mit einem hydraulisch betätigbaren
Kolben zum Schalten der Kupplung trägt. Schließlich empfiehlt es sich im Sinne der
Erfindung, den Außenlamellenträger mit der Generatorantriebswelle unmittelbar zu
verbinden.
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Es ist zwar bei Planetengetrieben bekannt, das innere Sonnenrad lediglich
durch Abstützung in den Planetenrädern zu lagern. Auch ist die Raumform einer an
beiden Enden verzahnten Hülse bekannt. Neu ist hingegen die Anwendung dieser Mittel
für ein abschaltbares Planetenradgetriebe, das einerseits den Kraftfluß unterbrechen
und andererseits einen vollkommenen Lastdruckausgleich besitzen soll. Darüber hinaus
besteht der besondere Vorteil der Erfindung in der konstruktiv einfachen Verbindung
einer Kupplung zum Abschalten des Planetengetriebes mit dem Getriebe selbst innerhalb
eines gemeinsamen Getriebegehäuses.
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Die Steuerung des erfindungsgemäßen Getriebes erfolgt automatisch.
Bei Kraftschluß werden die Innen- und Außenlamellen der Kupplung durch einen mit
COldruck beaufschlagten Kolben zusammengepreßt. Der Reibungsschluß der Lamellen
stellt hierbei die für die Momentübertragung erforderliche Verbindung beider Kupplungsteile
her. Ist die Anlage drehzahlbegrenzt, dann wird bei Erreichen der Grenzdrehzahl
mit Hilfe von Regler- und Steuereinrichtungen die Druckölzufuhr zur Kupplung unterbrochen,
wodurch der Reibungsschluß der Lamellen gelöst und die treibende von der getriebenen
Maschine getrennt wird. Diese Ausführung hat gegenüber den bekannten Abschaltvorrichtungen
den Vorteil, daß der Schaltteil für ein übertragungsmoment, das um das (i-1)-fache
kleiner ist, ausgelegt zu werden braucht, wodurch sich eine wesentlich kleinere
Dimension der Abschaltkupplung ergibt. An Stelle des hier beschriebenen Schaltelementes,
das aus einer öldruckgesteuerten Lamellenkupplung besteht, kann zur Erreichung der
geschilderten Forderungen jede während des Betriebes schaltbare Kupplung, beispielsweise
hydraulische, pneumatische oder mechanische Kupplungen, verwendet werden.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung.
In ihr ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel schematisch und beispielsweise
dargestellt, wobei davon ausgegangen ist, daß als Schaltkupplung eine hydraulisch
betätigbare Lamellenkupplung verwendet wird.
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In der Zeichnung ist die von der Turbine kommende Antriebswelle mit
1 bezeichnet, die im Lager 2 gelagert ist. An ihrem Ende befindet sich der Turbinenwellenflansch
3, der mit dem Planetenträger 11 fest verbunden ist. In dem Planetenträger sind
die Planetenradlagerbolzen 4 angeordnet. Meistens sind drei derartige Bolzen 4 in
einem Winkel von 1201 versetzt zueinander angeordnet. Auf diesen Bolzen 4 sind mit
Hilfe der Lager 5 diePlanetenräder 6 drehbar gelagert, die einerseits mit dem äußeren
Sonnenrad 7 und andererseits mit dem inneren Sonnenrad 8 im Eingriff ,stehen. Das
äußere Sonnenrad 7 ist mit Hilfe etwa zylindrischer elastischer Elemente, z. B.
Federpakete 9, ortsfest, jedoch elastisch nachgiebig im Gehäuse 10 des Planetenradgetriebes
abgestützt. Darüber hinaus sind mit dem Gehäuse 10 die Stirnscheiben 10'
verbunden, die eine seitliche Bewegung des äußeren Sonnenrades? begrenzen. Diese
Bewegung tritt zufolge der Verzahnungsfehler ein. Die elastischen Glieder 9 sollen
hierbei einen Bewegungsausgleich zwischen den Planetenrädern 6 und dem äußeren Sonnenrad
7 ermöglichen. Das dargestellte Planetenradgetriebe erweist sich auch als Leistungsverzweigungsgetriebe
mit sehr gutem Wirkungsgrad, wobei die Zahnräder des Planetenradgetriebes mit Vorteil
pfeilverzahnt sein können.
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Das innere Sonnenrad 8 ist nicht im Getriebegehäuse 10 des Planetenradgetriebes
gelagert, sondern es stützt sich lediglich in den Planetenrädern 6 ab. An seiner
freien Stirnseite besitzt das innere Sonnenrad 8 die Außenverzahnung 14, mit der
die innenverzahnte Hülse 13 im Eingriff steht. Diese besitzt ihrerseits an dem anderen
Ende die Außenverzahnung 15, mit der die innenverzahnte Druckscheibe 16 der Lamellenkupplung
K im Eingriff steht. Mit der Scheibe 16 ist der Innenlamellenträger 17, auf dem
die Innenlamellen 18 angeordnet sind, beispielsweise durch Verschraubung, fest verbunden.
Der Innenlamellenträger 17 ist hierbei auf der axial verlängerten Nabe 12 des Planetenradträgers
11 drehbar gelagert. Diese Nabe 12 bildet mit dem Planetenradträger 11 und
dem Turbinenwellenflansch 3 eine starre Einheit. Auf dem Innenlamellenträger
17 ist weiterhin der Druckzylinder 26 fest angeordnet, in dem sich die Druckkammer
23' für das durch die Druckleitungen 23 geführte hydraulische Medium befindet. Durch
die Einleitung des Druckes auf das hydraulische Medium wird der Kolben 21 gegen
die Wirkung der Federn 22 axial verschoben, wodurch die Lamellen 18 und 19 zusammengepreßt
werden. Die Außenlamellen 19 befinden sich in dem Außenlamellenträger 20, der seinerseits
mit einem Flansch 24 der Generatorantriebswelle 25 fest verbunden ist. Das Gehäuse
10 des Planetenradgetriebes umschließt mit einem Deckel 27 die gesamte Kupplung
K.
Wenn sich die Drehzahl der Turbine in den normalen Grenzen bewegt,
befindet sich das in den Leitungen 23 stehende Medium unter Druck, und die Kupplung
ist geschlossen. Der Kraftfluß verläuft somit über die Antriebswelle 1 und den Turbinenwellenflansch
3 auf die Planetenräder 6, die ihrerseits das innere Sonnenrad 8 antreiben. Da der
Innenlamellenträger 17 über die Druckscheibe 16 und die Hülse 13 mit dem inneren
Sonnenrad 8 drehstarr, jedoch gelenkig verbunden ist, rotiert auch der Innenlamellenträger
17 gleichzeitig mit dem inneren Sonnenrad B. Zufolge der geschlossenen Kupplung
K dreht sich somit auch die Generatorantriebswelle 25. Wenn indes die Turbinendrehzahl
über die Normaldrehzahl hinaus ansteigt, wird durch eine selbsttätige drehzahlabhängige
Regeleinrichtung der Druck des hydraulischen Mediums unterbrochen, so daß sich der
Kolben 21 der Kupplung K unter der Wirkung der Federn 22 zurückbewegt und die Lamellen
18, 19 keinen Reibschluß mehr besitzen. Es ist somit der Kraftfluß zwischen der
Antriebswelle 1 und der Generatorantriebswelle 25 in der Getriebekupplung unterbrochen.
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Aus der Zeichnung ist deutlich erkennbar, daß die Anordnung der Kupplung
K den erforderlichen Platzbedarf für das Getriebe und die Turbine sowie den Generator
nicht vergrößert. Die Kupplung K ist vielmehr an einer solchen Stelle untergebracht,
bei der bisher nicht ausgenutzter Raum nutzbringend verwendet wird. Die Kupplung
ist im Durchmesser einerseits kleiner als das Planetenradgetriebe, und ihre Baulänge
ist nicht größer als derjenige Platzbedarf, der durch die Hülse 13 ohnedies in Anspruch
genommen wird. Diese Hülse 13 ist in gewissen Grenzen torsionsfähig und dient ebenfalls
dem Bewegungsausgleich des inneren Sonnenrades 8 gegenüber den Planetenrädern 6.
Ihre Länge ergibt sich aus dem Ausmaß der gewünschten Torsion. Somit ist es verständlich,
daß die Kupplung K dann den geringsten Platz einnimmt, wenn sie um die Hülse 13
herumgebaut ist.