CS213346B2 - Hydraulic machine - Google Patents

Description

Vynález se týká hydraulického stroje sdružujícího turbinu a čerpadlo se stejným smyslem otáčení, a obsahujícího jedinou skříň připojenou k výtlačnému potrubí, přičemž mezi skříň a kola turbiny a čerpadla jsou vřazena šoupátka, uložená se vzájemným odstupem na společném hřídeli, a se svými odpovídajícími nasávacími otvory orientovanými do navzájem opačných směrů. Jedná se o hydraulický stroj známého typu, určený pro dopravu energie kombinovaným účinkem čerpadla a turbiny.

Ve strojích tohoto typu jsou mezi spirálovou komoru a každé z obou kol vřazena šoupátka. Po uzavření odpovídajícího šoupátka umožňují odvodňovací ústrojí vyprázdnit a opět plnit jedno nebo druhé z těchto kol.

Kombinovaná čerpadla a turbiny při rozbíhání pracují vždy jako turbina. Po spojení jejich kombinovaného alternátoru a elektromotoru s elektrickou sítí se veškeré další změny chodu provádějí výlučně manipulací se šoupátky a s odvodňovacími ústrojími.

Jednotný smysl otáčení takovéhoto stroje je přes přítomnost jediné spirály umožněn využitím měnících kanálů, jejichž funkce spočívá v měnění smyslu tangen2 ciální složky proudění mezi spirálou a jedním nebo druhým z obou kol. Je možno buď „turbinového měniče”, vřazeného mezi spirálu a kolo turbiny, anebo „čerpadlového měniče”, vřazeného mezi kolo čerpadla a spirálu.

Vývoj těchto kombinovaných hydraulických strojů vedl dosud ke dvěma generacím průmyslových využití, lišících se od sebe hlavně umístěním měničů a jejich koncepcí.

U strojů první generace jsou kolo turbiny a kolo čerpadla umístěny těsně u sebe a mají společný středový spoj, přičemž jejich měnič je umístěn uvnitř prostoru, ležícího mezi obvodem obou kol a spirálou, která je obklopuje. V tomto omezeném prostoru dochází při pomalém proudění tekutiny měničem vytvářeným lopatkami, které musejí být v důsledku nedostatku místa příliš zakřivené, k odklonům do protiproudu, což má za následek nepřípustné ztráty energie. To je důvodem proto, že se u hydraulických strojů této generace uplatnilo použití turbinového měniče se zakřivenými lopatkami protékaného rychlým proudem, a nikoliv čerpadlového měniče.

Potřeba co nejvíce zlepšit výkon při práci jako turbina při vyloučení použití turbinového měniče vedla k vyvinutí strojů druhé generace. U těchto strojů byly kolo turbiny a kolo čerpadla od sebe v osovém směru odsunuty, aby se vytvořil prostor potřebný pro v podstatě přímé čerpadlové rozptylovače a pro měnič čerpadla, jehož průběh se dostatečně rozšiřuje, aby se vyloučily energetické ztráty, zjišťované u předchozích strojů.

Toto uspořádání má ještě další přednost: Umožňuje snížit osové tlaky a dovoluje jednotlivé dimenzování středních spojů obou kol. Odvádění unikající tekutiny od těchto spojů se rovněž usnadňuje. Mezi obě kola je možno vložit vodicí ložisko.

Základní charakteristický znak hydraulických strojů druhé generace spočívá ve skutečnosti, že rozptylovače čerpadla, stejně jako i podstatná část čerpadlového měniče, jsou umístěny vně prostoru vymezovaného obvodem kola turbiny a vnějším lícem společně spirály, obklopující toto kolo. Přes pokrok, které tyto stroje přinášejí, však mají řadu nevýhod, a to bez ohledu na jejich formy provedení.

V první formě provedení je čerpadlový měnič vytvářen vhodným přepažením středního tělesa stroje. Konstrukční požadavky, vyplývající ze silných mechanických namáhání, kterým je tento prvek vystaven, pak vedou к používání měnících kanálů, které jsou příliš klikaté a mají komplikovaný průběh, takže výhody očekávané od tohoto řešení jsou částečně eliminovány. Kromě toho je takový čerpadlový měnič těžký a jeho výroba je drahá.

V jiné formě provedení vyúsťuje kolo čerpadla do řady částečných spirál, prodloužených rozptylovači a trubními vedeními, vytvářejícími měnič. Tato vedení se napojují šikmo na stěnu společné spirály. I když jsou méně klikaté, jsou tyto měniče stále příliš dlouhé a jejich energetické ztráty třením zůstávají značné. Navíc dochází к zeslabení silně namáhané stěny společné spirály, a to v důsledku jejího perforování řadou eliptických otvorů. Pro zmírnění tohoto nedostatku je pak nutné přidávat výztužná žebra, což je však drahé. Rovněž je možno zmenšit šikmost napojení těchto trubních vedení, což vede však ke zvyšování energetických ztrát v měniči.

Vynález si klade za úkol odstranit tyto nevýhody v důsledku změny polohy čerpadlového měniče, a docílit tak zlevnění stroje a zvýšení jeho výkonu.

Okol je vyřešen hydraulickým strojem sdružujícím turbinu a čerpadlo se stejným smyslem otáčení, a obsahujícím jedinou skříň připojenou к výtlačnému potrubí, přičemž mezi skříň a kola turbiny a čerpadla jsou vřazena šoupátka, uložená se vzájemným odstupem na společném hřídeli, a se svými odpovídajícími nasávači orientovanými do navzájem opačných směrů, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že obsahuje čerpadlový měnič umístěný alespoň zčásti uvnitř skříně, opatřené uvnitř dělicí stěnou, která rozděluje její vnitřek na dvě komory, z nichž jedna vytváří spirálu turbiny, do které vyúsťuje čerpadlový měnič.

Takto řešený hydraulický stroj podle vynálezu umožňuje využívat výhod čerpadlových měničů a veškerého pokroku přinášeného hydraulickými stroji druhé generace vzhledem ke strojům první generace. Použitelné čerpadlové měniče mohou být nejrůznějších typů, přičemž nejsou vystaveny silným mechanickým namáháním, jako je tomu u známých měničů. Jejich výroba z tenkých plechů je méně nákladná.

Vyloučení mechanických namáhání a poskytnutí dostatečného prostoru pro čerpadlový měnič umožňují vytvářet průběh těchto měničů bez konstruktivních kompromisů a dodávat jim takový tvar, který vede к nejmenším energetickým ztrátám. Podstatně se tak zlepší výkon stroje při práci jako čerpadlo.

Přepažené střední těleso strojů druhé generace, které je masívním a drahým konstrukčním prvkem, je u strojů podle vynálezu odstraněno, stejně jako jsou odstraněny i otvory ovlivňující pevnost splrální skříně u známých strojů. Dojde tedy vcelku к velmi značným úsporám na výrobních nákladech.

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popise na příkladech provedení s odvoláním na výkresy, ve kterých značí:

obr. 1 pohled na stroj podle vynálezu, částečně v řezu rovinou I—I z obr. 2, obr. 2 příčný řez postupně rovinami II_A—II_A, II_B—II_B a II_C—II_C z obr. 1, obr. 3_A až 3_D osové řezy postupně rovinami III_A—III_A, lila—IIIb, IIIc—Hic a III_D—III_D z obr. 2, obr. 4 osový řez rovinou IV—IV z obr. 5, ukazující první variantu provedení, obr. 5 pohled, částečně v řezu rovinami V_A—V_A a V_B—V_B z obr. 4, obr. 6 osový řez ukazující tuto první variantu aplikovanou na případ diagonálního čerpadla, obr. 7 pohled, částečně v osovém řezu rovinou VII—VII z obr. 8, na druhou variantu provedení, obr. 8 příčný řez postupně rovinami VIII_A—VIII_A, VIIIb—VIIIb a VIIIc—VIIIc z obr. 7, a obr. 9A až 9D osové řezy postupně rovinami IX_A—IX_A, IXb-IXb, IXc—IXc a IX_D-IX_D z obr. 8.

Stroj znázorněný na obr. 1, 2, a 3 má hřídel 1, který je v znázorněném příkladě svislý, avšak může mít též jinou polohu, například vodorovnou. Na tomto hřídeli 1 jsou osazeny turbinové kolo 2 a čerpadlové kolo 3, řešené se stejným smyslem otáčení. Mezi oběma koly 2 a 3 je vloženo vodicí ložisko 4, opírající se o střední těleso 5 stroje. Čerpadlové kolo 3 je uloženo na hřídeli 1 konzolovitě. Hřídel může být rovněž průchozího typu a veden ložisky uloženými vně kol stroje.

Zařízení dále obsahuje sací troubu 6 turbiny a nasávací tvarovku 7 čerpadla, které směrují do navzájem protilehlých směrů. Věnec lopatek 8 turbiny a rozváděči lopatky 9 s měnitelnou orientací mají tvary obvyklé pro tento typ stroje. Přívod do turbinového kola 2 lze uzavřít válcovitým šoupátkem 10.

Válcovité šoupátko 10 je vloženo mezi obvod turbinového kola 2 a rozváděči lopatky 9. Může být též vloženo mezi rozváděči lopatky 9 a věnec lopatek 8 turbiny.

Může však být i vypuštěno, a to v případě, pokud rozdělovač zajišťuje dokonale těsné uzavření.

Na obvodě čerpadlového kola 3 je umístěno válcovité šoupátko 11, a to mezi čerpadlové kolo 3 a věnec lopatek 12 čerpadla. Je též možno připojit orientovaný rozptylovač čerpadla. Rozptylovací účinek je především zajišťován lopatkami věnce lopatek 12 čerpadla, které mají obvyklý průběh, v podstatě přímkový, a to alespoň v blízkosti čerpadlového kola 3.

Věnec lopatek 8 turbiny je uložen mezi vnějším lopatkovým věncem 13 turbiny a vnitřním lopatkovým věncem 14 turbiny. Stejně tak je věnec lopatek 12 čerpadla vložen mezi vnějším lopatkovým věncem 15 čerpadla a vnitřním lopatkovým věncem 16 čerpadla. Tyto různé lopatkové věnce mohou mít různé tvary a průměry.

Lopatkami 12 čerpadla a vnějšího i vnitrního lopatkového věnce 15 a 16 čerpadla prostupují kanálky 17. Tyto kanálky 17 zajišťují odvádění vody unikající ve vnitřních hydraulických spojích turbinového kola 2 a čerpadlového kola 3 a různé další funkce.

Zařízení je opatřeno skříní 18, která ho obklopuje. Na první pohled by bylo možno^: zaměňovat tuto skříň 18 s obyčejnou spirálovitou skříní turbin. Skříň 18 zařízení podle vynálezu se však od ní odlišuje v některých základních znacích.

Skříň 18 má vnější stěnu vytvořenou z plátů 19 navzájem spolu svařovaných, a spojující vnější lopatkový věnec 13 turbiny s vnějším lopatkovým věncem 15 čerpadla, a vnitřní stěnu 20, která spojuje vnitřní lopatkový věnec 14 turbiny s vnitřním lopatkovým věncem 16 čerpadla.

Pláty 19 vnější stěny skříně 18 mají tvar kruhových segmentů. Jsou symetrické, neboť lopatkové věnce, ke kterým jsou připojeny mají stejný průměr. Byly by však zborcené, kdyby spojovaly vnější lopatkové věnce různých průměrů.

Pláty 19 vnější stěny skříně 18 se ovíjejí ve formě spirály pouze okolo části obvodu stroje. Za určitou mezí jsou tyto pláty 19a, vyznačené na obr. 2, všechny stejné. Probíhají pak ve tvaru mnohoúhelníka vepsaného kružnici se středem na ose stroje.

Pokud by shodné pláty 19a tvořily kruhové segmenty o velmi malé výšce, byl by jejich tvar v blízkosti jejich připojení k lopatkovým věncům upraven zakulacením jejich okrajů, aby se snížilo jejich mechanic ké namáhání vyvolané vystavením zatížení, a to v souladu se způsoby, používaných u den kotlů.

Vstupní plát 19a stěny skříně 18 patrný z obr. 2, se napojuje na vstupní hrdlo 21 skříně 18. Shodné pláty 19a vytvářejí nejužší část skříně 18.

Hranice mezi pláty, které se ovíjejí spirálovitě, a pláty ovíjeními po kružnici, je dána energetickými úvahami. Pláty v části malého průřezu skříně 18 vytvářejí v důsledku odstupu obou lopatkových věnců 13 a 15, ke kterým jsou připojeny, velmi zploštělé kruhové segmenty (viz obr. 3D), jejichž hydraulický poloměr je nepříznivý a v důsledku toho ovlivňuje výkon stroje. Poloha této meze spadá tedy mezi oba extrémní případ, které jsou rovněž možné, a to kdy všechny pláty jsou ovíjeny po spirále na jedné straně, a kdy všechny pláty jsou ovíjeny po kružnici, na straně druhé.

Vnitřní stěna 20 skříně 18 je vytvářena válcem, který se napojuje svými dvěma konci na vnitřní lopatkové věnce 14 a 16 turbiny a čerpadla. Tato stěna může mít kuželovitý tvar. Může být rovněž vytvářena z plátů svařovaných jeden k druhému, a to ve formě kruhových segmentů nebo jakéhokoli jiného tvaru, přizpůsobeného mechanickým. namáháním vyplývajícím z provozního zatížení stroje.

Uvnitř skříně 18 jsou umístěny různé vodicí stěny. Je to jednak dělicí stěna 22, vymezující prostor zaujímaný čerpadlovým měničem 23 od spirály 24 turbiny, vytvářející vlastní spirální skříň stroje. Dále je to napojovací . stěna, tvořená zakřivenými lopatkami 25, patrná z obr. 3D, vložená pouze do oblasti skříně 18 vytvářené malými shodnými pláty 19a konstantního průřezu. Úloha této napojovací stěny spočívá v oddělování prostoru zaujímaného spirálou 24 turbiny od mrtvého prostoru vyplňujícího zbytek průřezu skříně 18, a zajišťovat tak navázání spirálovitého průběhu, potřebného pro správné plnění turbiny a tedy i pro dobrou funkci stroje. Tato dělicí stěna 22 zabraňuje vzniku jakýchkoli místních nespojitostí tvaru nebo průřezu, které by mohly vyplynout z toho, že čerpadlový měnič 23 je umístěn ve skříni 18. Dělicí stěně 22 a napojovací stěně je možno dodat nejrůznější tvary, z nichž některé jsou formou příkladu patrné z výkresu, aniž by omezovaly rozsah vynálezu.

V napojovací stěně jsou vytvořeny neznázorněné vyrovnávací otvory. Tyto vyrovnávací otvory zajišťují při dynamických účincích, že na obou površích stěny vznikne tlaková rovnováha. Pro vytváření napojovací stěny a dělicí stěny 22 je tak možno používat tenké plechy, které se dají snadno svařovat.

Výše uvedený čerpadlový měnič 23 je zcela umístěn uvnitř skříně 18. Zachycuje tekutinu vystupující z věnce ' lopatek 12 čerpadla a vrací ji do spirály 24 turbiny. V popisovaném a vyobrazeném provedení je čerpadlový měnič 23 vytvářen mřížovinou zakřivených lopatek 25, přivařených na vnitřní stěnu 20 skříně 18. Tato vnitřní stěna 20 tedy vytváří jednu ze stěn kanálů čerpadlového měniče 23. Protilehlá stěna je vytvářena plechovým prstencem 26, spojeným s dělicí stěnou 22. Místo, které je k dispozici, je dostatečné k tomu, aby se tvar zakřivených lopatek 25 a prstence 26 mohly určovat pouze s ohledem na zajištění proudění tekutiny bez energetických ztrát. Vzhledem k tomu, že stěny tohoto čerpadlového měniče · 23 z tenkého plechu jsou vystaveny malým mechanickým namáháním, je jeho výroba nenáročná.

Je též možno rozložit mřížovinu zakřivených lopatek 25 popsaného měniče do dvou po sobě následujících mřížovin. První, blízká věnci lopatek 12 čerpadla, pak anuluje nežádoucí tangenciální složku proudění, zatímco druhá, blízká soutoku čerpadlového měniče 23 a spirály 24 turbiny vyvolá žádanou tangenciální složku. Mezi těmito dvěma mřížovinami je pak proud tekutiny v osovém směru veden vnitřní stěnou 20 skříně 18 a souosou dělicí stěnou. Tento prstencovitý kanálový prvek měniče se může postupně rozšiřovat a doplňovat tak uvedený čerpadlový měnič jako přídavný rozptylovač, umístěny v jeho dráze.

Provedení zobrazené na obr. 1, 2 a 3 a výše popsané může být · z hlediska navržených tvarů podrobeno řadě dalších variant.

Podle varianty znázorněné na obr. 4 a 5 je věnec lopatek 12 čerpadla prodloužen dovnitř skříně, označené jako skříň 18, řadou navzájem od sebe oddělených trubek

29. Tyto trubky 29 vytvářejí nejprve přímkovitý rozptylovač, a poté se zakřivují až do místa vyústění do spirálového prostoru

30, čímž dodávají proudící tekutině žádanou tangenciální složku.

Obr. 6 znázorňuje aplikaci stejné varianty na přípladě diagonálního čerpadla.

Je zřejmé, že jednotlivé ' varianty lze kombinovat mezi sebou. Zejména je možno napojit na oddělené trubkové kanálky prstencovitý kanál, souosý s vnitřní stěnou skříně. Je též možno vytvářet stejnou geometrickou sestavu trubicovitých prvků tak, že se uloží do odlévaného rotačního tělesa, jehož trubky nejsou od sebe navzájem oddělovány nebo· jen zčásti.

Podle varianty provedení znázorněné na obr. 7, 8 a 9 · jsou rozptylovače věnce lopatek 12 čerpadla doplňovány nástavcem 32. Tato část rozptylovačů je uložena uvnitř skříně 18 mezi vnějším lopatkovým věncem 15 čerpadla a prstencovitou dělicí stěnou 35.

Nástavec 32 vyúsťuje do mřížoviny lopatek 36 měniče, uložených rovněž mezi vnější lopatkový věnec 15 čerpadla a prstencovitou dělicí stěnu 35. Tlustostěnný charakter lopatek 36 měniče, požadovaný pro tento typ měničů, umožňuje vytvořit v těchto lopatkách 36 odváděči kanálky 37, zajišťující kromě odvádění unikající tekutiny i další funkce.

Nástavec 32 a lopatky 36 měniče mohou být též přivařeny k vnější stěně 19 skříně 18.

Oblast skříně 18, · ovíjející se v kruhu, je v této variantě rozsáhlejší než tomu bylo v provedeních zobrazených na obr. . 2 a 3. Za určitým zploštěním pláty vnější stěny 19 této skříně přerušují proud tekutiny vystupující z · mřížoviny lopatek 36 měniče.

V · oblasti · skříně 18, kde se skříň ovíjí v kruhu, se postupně zdvíhá napojovací stěna 39 ve formě šroubové plochy. Čerpadlový měnič 23 vyžaduje v této oblasti přítomnost prodlužovacího kanálu 40, patrného z obr. 9D, následujícího za mřížovinou lopatek 36 měniče. Vnější stěna 19 skříně vytváří místně vnější stěnu tohoto prodlužovacího kanálu 40. Jeho vnitřní stěna 41 je vytvářena pláty z tenkého plechu, soustřednými s vnější stěnou. Tuhost sestavy zajišťují vodítka 42, nakloněná pro to, aby si voda vystupující z mřížoviny lopatek 36 měniče udržela příznivý směr, dodávaný jí touto mřížovinou.

Mřížovinu lopatek 36 měniče · je možno rozdělit do dvou po sobě následujících mřížovin, jak již bylo vysvětleno výše. Pro celky velkých rozměrů je možné rozložit stěny a lopatkové věnce skříně na více dílců, sestavovaných na · místě pomocí přírub nebo jiných spojovacích prvků.

Kola turbiny nebo čerpadla použitá v tomto stroji mohou být radiální, diagonální nebo axiální. Čerpadlo může mít dva stupně a turbina jediný, stejně jako i čerpadlo i turbina mohou být vícestupňové.

Claims (7)

1. PREDM1T VYNALEZU

   1. Hydraulický stroj sdružující turbinu a čerpadlo se stejným smyslem otáčení, a obsahující jedinou skříň připojenou k výtlačnému potrubí, přičemž mezi skříň a kola turbiny a čerpadla jsou vřazena šoupátka, uložená se vzájemným odstupem na společném hřídeli, a se svými odpovídajícími nasávacími otvory orientovanými do navzájem opačných směrů, vyznačený tím, že obsahuje čerpadlový měnič (23), umístěný alespoň zčásti uvnitř skříně (18), která je opatřena dělicí stěnou (22), rozdělující její vnitřek na dvě komory, z nichž jedna vytváří spirálu (24) turbiny, do níž vyúsťuje druhá komora, tvořící alespoň část čerpadlového měniče (23).
2. 2. Hydrulický stroj podle bodu 1, vyznačený tím, že čerpadlový měnič (23) je tvořen zakřivenými lopatkami (25), pevně uloženými mezi vnitřní stěnou (20) skříně (18) a mezi profilovaným prstencem (26), upevněným na vnitřní straně dělicí stěny (22), uložené soustředně se společným hřídelem (1) kola (2j turbiny a kola (3) čerpadla, přičemž tyto zakřivené lopatky (25) vymezují mezi profilovaným prstencem (26) a vnitřní stěnou (20) věnec kanálků, vycházejících z prostoru vymezovaného vnějším lopatkovým věncem čerpadla (15) a vnitřním lopatkovým věncem čerpadla (16).
3. 3. Hydraulický stroj podle bodu 1, vyznačený tím, že čerpadlový měnič (23) je tvořen zakřivenými trubicemi (29), vystupujícími z alespoň části kanálků vymezovaných lopatkovými věnci (15, 16) čerpadla a lopatkami (12) čerpadla, přičemž tyto zakřivené trubice (29) jsou rovnoměrně rozmístěny uvnitř dělicí stěny (22), soustředné se společným hřídelem (1), přičemž dělicí stěna (22) tvoří tečnou plochu vnějších stěn zakřivených trubic (29).
4. 4. Hydraulický stroj podle bodu 1, vyznačený tím, že čerpadlový měnič (23')· je tvořen lopatkami (36), pevně uloženými mezi prstencovitou dělicí stěnou (35) a radiálně prodlouženou částí vnějšího lopatkového věnce (15) čerpadla.
5. 5. Hydraulický stroj podle bodu 4, vyznačený tím, že čerpadlový měnič (23) je prodloužen mříží prodlužovacích kanálů (40) , vymezovaných jednak vnitřní stěnou (41) , vybíhající z dělicí stěny (35) směrem ke spirále (24')' a vnější stěnou (19) skříně (18), a jednak vodítky (42) uloženými mezi dělicí stěnou (35) a vnější stěnou (19).
6. 6. Hydraulický stroj podle bodů 1 až 5, vyznačený tím, že skříň (18) je tvořena vnější stěnou (19), vybíhající z vnějšího lopatkového věnce turbiny (13) k vnějšímu lopatkovému věnci čerpadla (15) a vnitřní stěnou (20), umístěnou mezi vnitřním lopatkovým věncem turbiny (14) a vnitřním lopatkovým věncem čerpadla (16).
7. 7. Hydraulický stroj podle bodů 1 až 6, vyznačený tím, že skříň (18) má oblast proměnlivého průřezu a oblast konstantního průřezu.