Maschinensatz mit einer Antriebsmaschine, einer Kreiselpumpe und einer gleichzeitig von einer der Förderwassermenge angenähert entsprechenden Wassermenage beaufschlagten Turbine Die Erfindung betrifft einen Maschinensatz mit einer Antriebsmaschine, einer Kreiselpumpe und einer gleich zeitig von einer der Förderwassermenge angenähert ent sprechenden Wassermenge mit dem Förderdruck ange nähert entsprechendem Druck beaufschlagten Turbine,
wobei beide hydraulischen Maschinen einflutig ausgebil det sind und oberwasserseitige Spiralen aufweisen.
Bei der Versorgung einer Wärmekraftanlage mit Kühlwasser aus einem natürlichen Gewässer wird kaltes Kühlwasser in die Anlage hinaufgepumpt, und es fliesst im wesentlichen dieselbe Menge erwärmten Kühlwassers wieder in das Gewässer hinab, wobei es bekannt ist, die Lageenergie des abströmenden Kühlwassers in einer Turbine zur Rückgewinnung eines grossen Teils der von der Pumpe verbrauchten Antriebsenergie auszunützen. Eine solche Energierückgewinnung findet auch in ande ren Fällen statt, wo eine der auf eine höhere Lage hin aufgepumpten Flüssigkeitsmenge entsprechende Flüssig keitsmenge gleicher Gattung gleichzeitig zum tieferen Punkt hinabströmt.
Der Maschinensatz für eine derartige Förderung bei gleichzeitiger Energierückgewinnung weist eine An triebsmaschine, eine Pumpe und eine Turbine auf. Sol <I>che</I> Maschinensätze bekannter Art nehmen viel Raum in Anspruch und weisen eine grosse Anzahl von Lagern, die geschmiert und allenfalls gekühlt werden müssen, sowie mehrere Wellendichtungen für die hydraulischen Maschinen und mehrere Wellenkupplungen auf, was zu hohen Erstellungs-, Betriebs- und Unterhaltskosten führt.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu über winden. Zu diesem Zwecke wird ein M.aschinensütz der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäss derart aus gebildet, dass die oberwasserseitig einander zugewand ten Laufräder der hydraulischen Maschinen mit einer gemeinsamen Welle einen Läufer bilden, und dass der Läufer und die oberwasserseitige Gehäusewand der einen und/oder der anderen hydraulischen Maschine zwischen den Spiralen mindestens einen Ringspalt be grenzen, über welchen Ringspalt die oberwasserseitigen Räume der hydraulischen Maschinen miteinander in Verbindung stehen.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ein zum Teil längs der Achse geschnittener Maschinensatz gemäss der Erfindung vereinfacht dargestellt.
Der Maschinensatz mit vertikaler Achse weist einen Elektromotor 1, eine einflutige Radialpumpe 2 mit oberwasserseitiger Spirale 3 sowie eine einflutige Radial turbine 4 mit oberwasserseitiger Spirale 5 auf. Mit 6 ist der Saugstutzen der Pumpe 2 und mit 7 der Abström- stutzen der Turbine 4 bezeichnet. Ein Betonfundament 8 trägt den Elektromotor 1 und umgibt die Blechwände der Spiralen 3, 5 sowie das Zuströmrohr 9 der Pumpe 2 und das Abströmrohr 10 der Turbine 4.
Die Welle 11 des Elektromotors 1 ist in dessen Gehäuse, in der Zeich nung nicht dargestellt, in zwei Lagern radial und in einem Lager gleichzeitig axial gelagert.
Das Laufrad 12 der Pumpe 2 und das Laufrad 13 der Turbine 4 sind einander oberwasserseitig zugewandt und bilden mit einer gemeinsamen Welle 14, auf der sie in einem Abstand voneinander angeordnet sind, einen Läufer 12, 13, 14. Die Welle 14 des Läufers 12, 13, 14 ist .durch eine Kupplung 15 mit der Welle 11 des Elek tromotors 1 verbunden.
Im ringförmigen Abströmkanal zwischen dem Laufrad 12 der Pumpe 2 und deren Spi rale 3 sind feste Leitschaufeln und zugleich Stützschau feln 16 angeordnet, und im ringförmigen Abströmkanal zwischen der Spirale 5 der Turbine 4 und deren Laufrad 13 sind feste Leitschaufeln und zugleich Stützschaufeln 17 angeordnet.
Das Laufrad 13 der Turbine 4 begrenzt in seinem oberwas.serseitigen Bereiche mit der oberwasserseitigen Gehäusewand 18 einen winkelförmigen Ringspalt 19, der in der Zeichnung übertrieben breit und vereinfacht dargestellt ist, und der nicht dargestellte Labyrinthe auf weist. Die oberwasserseitige Gehäusewand 18 ist bis zur Nabe des Laufrades 13 hin gezogen und begrenzt mit dieser einen weiteren Ringspalt 20. Das Laufrad 12 der Pumpe 2 begrenzt in seinem oberwas.serseitigen Berei- che mit der oberwasserseitigen Gehäusewand 21 einen winkelförmigen Ringspalt 22.
Die oberwasserseitige Ge häusewand 21 ist bis zur Welle 14 hin gezogen und trägt einen Lagerkörper 23, welcher eine Lagerschale 24 aus Gummi aufnimmt, in welcher .der zwischen den Laufrä dern 12 und 13 gelegene Abschnitt der Welle 14 des Läufers 12, 13, 14 radial gelagert ist, wobei die Lager schale 24 und die Welle 14 einen Lagerspalt 25 begren zen.
Die einander zugewandten oberwasserseitigen Ge häusewände 18, 21 der Turbine 4 und der Pumpe 2 sind durch ein die Welle 14 umgebendes ringförmiges Zwi schengehäuse 26 verbunden. Der durch dieses Zwi schengehäuse 26 begrenzte Raum 27 steht über den Lagerspalt 25 und über den Ringspalt 22 mit dem ober- wasserseitigen Raum der Pumpe 2 in Verbindung, und der Raum 27 steht über die Ringspalte 20, 19 mit dem oberwasserseitigen Raum der Turbine 4 in Verbindung.
Das Laufrad 12 der Pumpe 2 ist auf der Welle 14 fliegend aufgesetzt. Im Bereiche des Durchtritts der Welle 14 durch den Abströmstutzen 7 der Turbine 4 ist eine Stopfbüchse 28 angeordnet, welche nur den unter- wasserseitigen Betriebswasserdruck aufzunehmen hat. Die Abström- bzw. Zuströmstutzen der Spiralen 3, 5 welche in der Zeichnung nicht sichtbar sind, führen durch die Zeichnungsebene und liegen auf der gleichen Seite des Maschinensatzes parallel zueinander.
BeimBetrieb-desMaschinensatzes wird vonderPumpe 2 Kühlwasser aus einem natürlichen Gewässer über das Zuströmrohr 9 und den Saugstutzen 6 angesaugt und über den Stutzen der Spirale 3 in die Wärmekraftanlage hinaufgepumpt. Das die Wärmekraftanlage verlassende, erwärmte Kühlwasser strömt in angenähert gleicher Menge über den Zuströmstutzen der Spirale 5 in die Turbine 4 und verlässt diese über den Abströmstutzen 7 und das Abströmrohr 10. Dabei wird in der Turbine 4 ein grosser Teil der von der Pumpe 2 verbrauchten An triebsenergie zurückgewonnen.
Der oberwasserseitige Betriebswasserdruck ist in der Pumpe 2 etwas höher als in der Turbine 4, und es strömt daher ständig eine ge ringe Menge von Betriebswasser aus dem oberwasser- seitigen Raum der Pumpe 2 über den Ringspalt 22 und den Lagerspalt 25 in den zwischen den hydraulischen Maschinen gelegenen Raum 27 und von diesem über die Ringspalte 20, 19 in den oberwasserseitigen Raum der Turbine 4, und beim Durchströmen des Lagerspaltes 25 schmiert und kühlt das Betriebswasser das Lager 23, 24 der Welle 14.
Der engste der Ringspalte 22, 25, 20, 19 ist der Lagerspalt 25, und von seinem Durchtrittsquer- schnitt hängt die über den Raum 27 von der Pumpe zur Turbine strömende Wassermenge ab. Diese Wasser menge wird zweckmässigerweise nicht höher festgelegt, als zur Schmierung und Kühlung des Lagers 23, 24 nötig ist. Wenn auch der Druck des durch den Raum 27 strö menden Wassers dem Oberwasser der Turbine 4 erhal ten bleibt, ist mit Rücksicht auf einen guten Wirkungs grad der Lagerspalt 25 so eng wie möglich zu halten.
Dieselbe Forderung ergibt sich allenfalls auch aus der Notwendigkeit, die Pumpe bei von Kühlwasser entleer ter Wärmekraftanlage so lange allein arbeiten zu lassen, bis das die Wärmekraftanlage verlassende Kühlwasser auch die Turbine 4 beaufschlägt.
Die Ringspalten 22, 20, 19 sind in bekannter Weise vornehmlich nach den Gesichtspunkten der Bearbeitung, des Zusammenbaues und einer tunlichsten Verhinde rung von Auswaschung durch rotierendes Betriebswas ser ausgebildet. Das Ziehen der einander zugewandten oberwasserseitigen Gehäusewände 18, 21 gegen die Nabe des Laufrades 13 bzw. den Lagerkörper 23 hin verhindert, dass sich im Raum 27 ein grösserer rotieren der Wasserring bildet, der Kraft verzehren und Gehäu sewandungen auswaschen würde.
Der dargestellte Maschinensatz kommt mit insge samt nur drei Lagern, nämlich den beiden Lagern des Elektromotors 1 und dem durch Betriebswasser ge schmierten Lager 23, 24 sowie mit einer einzigen Dich tung, nämlich der Stopfbüchse 28 auf der Niederdruck seite der Turbine 4 aus. Durch die Anordnung der Spi ralen 3, 5 der hydraulischen Maschinen 2, 4 in der Weise zueinander, dass die Ab- bzw. Zuströmstutzen der Spiralen 3, 5 auf der gleichen Seite des Maschinensatzes parallel zueinander liegen, lässt sich die axiale Abmes sung des Zwischengehäuses 26 und damit des Maschi nensatzes gering halten.
Da die einander zugewandten oberwasserseitigen Gehäusewände 18, 21 beidseitig Be triebswasser angenähert gleichen Druckes ausgesetzt sind, lassen sie sich sehr leicht ausführen, und das Zwi schengehäuse 26 nimmt dank seiner kreisrunden Form alle auftretenden Kräfte gut auf.
Es wäre auch möglich, die Wand des Zwischenge häuses 26 mit Öffnungen zu versehen, so dass der vom Zwischengehäuse 26 innen und von der ringförmigen Wand 29, welche die einander zugewandten Stützschau- felringe 30 der beiden hydraulischen Maschinen mitein- ander verbindet, aussen begrenzte Raum 31 von Be triebswasser angefüllt wäre.
Anstelle der festen Leitapparate 16, 17 könnten selbstverständlich auch verstellbare Leitapparate vorge sehen werden. Anstelle der beschriebenen hydraulischen Radialmaschinen 2, 4 können irgendwelche hydrauli sche Maschinen mit Abström- bzw. Zuströmspiralen Verwendung finden; es lassen sich also auch Halbradial maschinen, Kaplan- oder Propellermaschinen verwen den, je nach Förderhöhe und Wassermenge.
Die Lagerschale 24 kann auch aus irgendeinem an deren Material bestehen, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Holz. Die Lagsrschale kann auch aus Weiss- metall bestehen, und in diesem Falle muss eine Vorrich tung für eine zusätzliche Schmierung mit Fett vorgese hen werden.
Bei wassergeschmierten Lagern mit Lagerschalen aus nichtmetallischem Material ist es üblich, die innere Fläche der Lagerschale mit Feldern und Zügen zu ver sehen oder Lagerschalensegmente unter Einhaltung von Abständen zueinander in Umfangrichtung im Lagerkör per anzuordnen.
In diesen Fällen ergeben sich ringsek- torförmige Spalte zwischen der Welle und den Zügen der Lagerschale bzw. dem Lagerkörper von beträchtli chem Querschnitt, so dass zur Festlegung der gewünsch ten Wassermenge, welche das Lager axial durchströmt, mindestens an einem axialen Ende des Lagers ein mit der Welle einen Drosselspalt begrenzender Blendenring vorzusehen ist.
Bei stark verschmutztem Betriebswasser kann es zweckmässig oder notwendig sein, das Lager 23, 24 mit einer Vorrichtung zum Einbringen von sauberem Sperr wasser in :den Lagerspalt 25 zu versehen. Wird Sperr wasser von etwas höherem Druck als dem des Oberwas sers der Pump.- in .den Lagerspalt 25 geleitet, dann wird das Lager durch das Sperrwasser geschmiert und ge kühlt. Ist das Betriebswasser, etwa durch die Jahreszeit bedingt, vorübergehend verhältnismässig sauber, kann die Zufuhr von Sp.-rrwasser unterbleiben, und das Lager wird in. diesem Fall von Betriebswasser geschmiert und gekühlt.
Auch die Stopfbüchsie 28 kann in bekannter Weise durch Sperrwasserzufuhr vor einem Eindringen von im Betriebswasser enthaltenem Schmutz geschützt werden.
Es ist auch möglich, die Laufräder von zwei Radial maschinen aneinander anliegend anzuordnen und die die Spiralen begrenzenden Wände im Bereiche der einander benachbarten oberwasserseitigen Mantelflächen der Laufräder als einen gemeinsamen Ring auszubilden, welcher mindestens einen Ringspalt begrenzt. In diesem Falle entfällt das einen Ringspalt begrenzende betriebs- wassergeschmierte Lager, und es muss auf der einen oder der anderen Seite der aneinanderliegenden Laufrä der ein anderes Wellenlager vorgesehen werden.
Machine set with a prime mover, a centrifugal pump and a turbine that is simultaneously acted upon by a water manage approximating the amount of water being conveyed Turbine,
Both hydraulic machines are single-flow designed and have spirals on the upstream side.
When supplying a thermal power plant with cooling water from a natural body of water, cold cooling water is pumped up into the system, and essentially the same amount of heated cooling water flows back down into the body of water, whereby it is known that the energy of the cooling water flowing off is in a turbine to recover a to use a large part of the drive energy consumed by the pump. Such energy recovery also takes place in other cases where a liquid of the same type corresponding to the amount of liquid pumped up to a higher position simultaneously flows down to the lower point.
The machine set for such a promotion with simultaneous energy recovery has a drive machine, a pump and a turbine. Sol <I> che </I> machine sets of known type take up a lot of space and have a large number of bearings that have to be lubricated and possibly cooled, as well as several shaft seals for the hydraulic machines and several shaft couplings, which lead to high production , Operating and maintenance costs.
The invention aims to overcome these disadvantages. For this purpose, a M.aschinensütz of the type described above is formed according to the invention in such a way that the running wheels of the hydraulic machines facing each other on the upstream side form a rotor with a common shaft, and that the rotor and the upstream housing wall of one and / or the other hydraulic machine between the spirals limit at least one annular gap, via which annular gap the upper water-side spaces of the hydraulic machines are in communication with one another.
In the drawing, a machine set according to the invention, partially cut along the axis, is shown in simplified form as an embodiment of the subject matter of the invention.
The machine set with a vertical axis has an electric motor 1, a single-flow radial pump 2 with an upstream spiral 3, and a single-flow radial turbine 4 with an upstream spiral 5. The suction port of the pump 2 is designated by 6 and the discharge port of the turbine 4 is designated by 7. A concrete foundation 8 carries the electric motor 1 and surrounds the sheet metal walls of the spirals 3, 5 as well as the inflow pipe 9 of the pump 2 and the outflow pipe 10 of the turbine 4.
The shaft 11 of the electric motor 1 is in its housing, not shown in the drawing voltage, in two bearings radially and axially in one bearing at the same time.
The impeller 12 of the pump 2 and the impeller 13 of the turbine 4 face each other on the upstream side and form a rotor 12, 13, 14 with a common shaft 14 on which they are arranged at a distance from one another. The shaft 14 of the rotor 12, 13, 14 is connected to the shaft 11 of the electric motor 1 by a coupling 15.
In the annular outflow channel between the impeller 12 of the pump 2 and its Spi rale 3 fixed guide vanes and at the same time support blades 16 are arranged, and in the annular outflow channel between the spiral 5 of the turbine 4 and its impeller 13 fixed guide vanes and support vanes 17 are arranged at the same time.
The impeller 13 of the turbine 4 delimits an angular annular gap 19, which is shown in an exaggeratedly wide and simplified manner in the drawing and which has labyrinths, not shown, in its upper water-side areas with the upper water-side housing wall 18. The upper water-side housing wall 18 is drawn up to the hub of the impeller 13 and delimits a further annular gap 20 with it. The upper water-side area of the pump 2 delimits an angular annular gap 22 with the upper water-side housing wall 21.
The upstream Ge housing wall 21 is pulled up to the shaft 14 and carries a bearing body 23, which receives a bearing shell 24 made of rubber, in which .der between the Laufrä countries 12 and 13 located portion of the shaft 14 of the rotor 12, 13, 14 radially is stored, the bearing shell 24 and the shaft 14 a bearing gap 25 limita zen.
The facing upstream Ge housing walls 18, 21 of the turbine 4 and the pump 2 are connected by an annular inter mediate housing 26 surrounding the shaft 14. The space 27 delimited by this intermediate housing 26 communicates via the bearing gap 25 and the annular gap 22 with the upstream space of the pump 2, and the space 27 communicates via the annular gaps 20, 19 with the upstream space of the turbine 4 Connection.
The impeller 12 of the pump 2 is overhung on the shaft 14. In the area of the passage of the shaft 14 through the outflow connection 7 of the turbine 4, a stuffing box 28 is arranged which only has to absorb the operating water pressure on the underwater side. The outflow and inflow connections of the spirals 3, 5, which are not visible in the drawing, lead through the plane of the drawing and lie parallel to one another on the same side of the machine set.
When the machine set is in operation, the pump 2 sucks in cooling water from a natural body of water via the inflow pipe 9 and the suction nozzle 6 and pumps it up through the nozzle of the spiral 3 into the thermal power plant. The heated cooling water leaving the thermal power plant flows in approximately the same amount via the inflow connector of the spiral 5 into the turbine 4 and leaves it via the outflow connector 7 and the outflow pipe 10. In the turbine 4, a large part of the An consumed by the pump 2 is drive energy recovered.
The upstream service water pressure in pump 2 is slightly higher than in turbine 4, and a small amount of service water therefore constantly flows from the upstream space of pump 2 via annular gap 22 and bearing gap 25 into the between the hydraulic machines located space 27 and from this via the annular gaps 20, 19 into the upstream space of the turbine 4, and when flowing through the bearing gap 25, the process water lubricates and cools the bearings 23, 24 of the shaft 14.
The narrowest of the annular gaps 22, 25, 20, 19 is the bearing gap 25, and the amount of water flowing through the space 27 from the pump to the turbine depends on its passage cross-section. This amount of water is expediently not set higher than is necessary for lubricating and cooling the bearing 23, 24. If the pressure of the water flowing through the space 27 remains the headwater of the turbine 4, the bearing gap 25 is to be kept as narrow as possible with a view to a good degree of effectiveness.
The same requirement arises at most from the need to let the pump work alone with the thermal power plant emptied of cooling water until the cooling water leaving the thermal power plant also acts on the turbine 4.
The annular gaps 22, 20, 19 are formed in a known manner, primarily according to the aspects of processing, assembly and the most possible prevention of leaching by rotating operating water. The pulling of the facing upstream housing walls 18, 21 against the hub of the impeller 13 or the bearing body 23 prevents the water ring from rotating in space 27, which would consume power and wash out housings.
The machine set shown comes with a total of only three bearings, namely the two bearings of the electric motor 1 and the ge lubricated by process water bearings 23, 24 and with a single device you, namely the stuffing box 28 on the low pressure side of the turbine 4 from. By arranging the spirals 3, 5 of the hydraulic machines 2, 4 in such a way that the outflow and inflow connections of the spirals 3, 5 are parallel to each other on the same side of the machine set, the axial dimension of the intermediate housing can be reduced 26 and thus keep the machine set low.
Since the facing upstream housing walls 18, 21 on both sides Be operating water are exposed to approximately the same pressure, they can be carried out very easily, and the inter mediate housing 26 absorbs all forces well thanks to its circular shape.
It would also be possible to provide the wall of the intermediate housing 26 with openings, so that the space delimited on the inside by the intermediate housing 26 and on the outside by the annular wall 29, which connects the facing blade rings 30 of the two hydraulic machines to one another 31 would be filled with operating water.
Instead of the fixed guide devices 16, 17, adjustable guide devices could of course also be provided. Instead of the hydraulic radial machines 2, 4 described, any hydraulic cal machines with outflow or inflow spirals can be used; It is also possible to use semi-radial machines, Kaplan machines or propeller machines, depending on the delivery head and water volume.
The bearing shell 24 can also consist of any other material, for example plastic or wood. The bearing shell can also be made of white metal, and in this case a device must be provided for additional lubrication with grease.
In water-lubricated bearings with bearing shells made of non-metallic material, it is common to see the inner surface of the bearing shell with fields and trains to ver or to arrange bearing shell segments while maintaining distances from one another in the circumferential direction in the Lagerkör by.
In these cases, there are annular sector-shaped gaps between the shaft and the trains of the bearing shell or the bearing body of considerable cross-section, so that to determine the desired amount of water which axially flows through the bearing, at least one axial end of the bearing with the shaft is to be provided with an orifice ring delimiting a throttle gap.
In the case of heavily contaminated process water, it may be useful or necessary to provide the bearing 23, 24 with a device for introducing clean barrier water into the bearing gap 25. If the water barrier is slightly higher than the pressure of the upper water of the Pump.- in .den bearing gap 25, then the bearing is lubricated and cooled by the water seal. If the service water is temporarily relatively clean, due to the time of year, for example, the supply of sp. Water can be omitted, and in this case the bearing is lubricated and cooled by service water.
The stuffing box 28 can also be protected in a known manner from the penetration of dirt contained in the process water by supplying sealing water.
It is also possible to arrange the impellers of two radial machines adjacent to one another and to form the walls delimiting the spirals in the area of the adjacent surface surfaces of the impellers as a common ring which delimits at least one annular gap. In this case, the operating water-lubricated bearing delimiting an annular gap is omitted, and a different shaft bearing must be provided on one side or the other of the adjacent running wheels.