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Axial durchströmte Turbine oder Pumpe mit verstellbaren Laufradschaufeln
Die Erfindung betrifft eine axial durchströmte Turbine oder Pumpe mit verstellbaren
Laufradschaufeln für entgegengesetzte Durchströmrichtungen.
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Ziel der Erfindung ist es, die Turbine bzw. Pumpe so zu gestalten,
daß sie bei beiden Anströmrichtungen mit dem gleichen Wirkungsgrad arbeiten kann.
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Um den Bedingungen des wechselseitigen Betriebes, d. h. der Anströmung
der Turbine bzw. der Pumpe in entgegengesetzten Fließrichtungen, und des wahlweisen
Turbinen- oder Pumpenbetriebes zu genügen, wurden beispielsweise schon Kraftwerke
bzw. Pumpenstationen vorgeschlagen, bei denen die verwendeten Pumpen- bzw. Turbinenaggregate
mit einer Einlaufspirale und zwei Triebwasserführungsrohren oder mit zwei entgegengesetzt
angeordneten Maschinen so versehen sind, daß das Maschinenaggregat aus verschiedenen
Richtungen angeströmt werden kann.
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Für den abwechselnden Pumpen- oder Turbinenbetrieb, wie er z. B. in
Pumpspeicherkraftwerken verlangt wird, werden eine Pumpe, die Turbine und der Generator
zu einem Maschinenaggregat zusammengebaut. Nach Bedarf -wird die elektrische Maschine
als Motor oder als Generator benutzt und mit der Pumpe bzw. mit der Turbine gekuppelt.
Beide hydraulische Maschinen haben ihre eigenen Zu- und Abläufe sowie ihre eigenen
Lager und Abschlußorgane.
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Es ist auch bekannt, daß zu diesem Zweck Axialturbinen oder -pumpen,
z. B. die sogenannten Unterwasserkraftwerksturbinen (auch Rohrturbinen), verwendet
werden können, indem diese als komplette Maschinenaggregate gekapselt in einem das
Aggregat tragenden Teil des Wasserführungsrohres so eingebaut sind, d.aß sie um
eine Drehachse in die entgegengesetzte Anströmrichtung geschwenkt werden können.
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Mit der schwenkbaren Anordnung in einer Drehvorrichtung kann das Aggregat
wahlweise als Turbine oder Pumpe verwendet werden. Es wird so in die entsprechende
Anströmrichtung gedreht und dort verankert, daß in der jeweiligen Betriebsstellung
die Leitradschaufeln, bezogen auf die entsprechende Fließrichtung des Triebmittels,
vor bzw. hinter dem Laufrad liegen. Es kann auf diese Weise entweder Turbinen- oder
Pumpenbetrieb in beiden Richtungen stattfinden.
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Es ist ferner bekannt, eine axiale Strömungsmaschine für zwei Durchströmrichtungen
nicht in einer Drehvorrichtung unterzubringen, sondern sie mit je einem Leitrad
vor und hinter dem Laufrad zu versehen.
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Bei den ersteren Arten der erwähnten Kraftwerksanlagen wird der maschinelle
und bauliche Aufwand durch die doppelte Anordnung von Triebwasserführungsrohren
oder besonders durch den Einbau von wechselweise entgegengesetzt arbeitenden Maschinenaggregaten
sehr groß. Dadurch ist die Wirtschaftlichkeit der Gesamtanlage unter Umständen nicht
gewährleistet.
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Mit der Anwendung von Axialturbinen oder -pumpen in einer Schwenkvorrichtung
ist zwar schon eine gewisse Wirtschaftlichkeit der Anlage gegeben. Sie stellt jedoch
in gewissen Fällen, z. B. bei Unterwasserkraftwerken mit niedrigem Kraftwerkskörper
oder bei Kraftanlagen mit niederem Gefälle überhaupt, eine konstruktive und vereinzelt
betriebliche Behinderung dar. Trotzdem könnten in diesen Fällen für den Turbinen-
wie auch für den Pumpenbetrieb sowohl in der einen als auch in der entgegengesetzten
Fließrichtung die gleichen Wirkungsgrade und Betriebsleistungen garantiert werden.
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Eine axiale Strömungsmaschine mit zwei Leitapparaten und einem in
der Mitte zwischen den Leitapparaten angeordneten Laufrad kann zwar fest im Kraftwerkskörper
angebracht sein und braucht bei wahlweiser wechselseitiger Anströmung und Betriebsverwendung
nicht in ihrer Gesamtheit gedreht zu werden. Sie hat aber den Nachteil eines geringeren
Gesamtwirkungsgrades, da ständig einer der beiden Leitapparate bei wechselseitiger
Anströmung jeweils in einer Richtung störend wirkt.
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Bei Schleuderpumpen, die mit wechselnder Förderrichtung arbeiten,
ist man den aufgezeigten Mängeln der beschriebenen Anordnungen in der Weise begegnet,
daß man die Pumpe mit zwei unabhängig voneinander drehbaren Laufrädern ausgebildet
hat, die so betrieben werden, daß das jeweils stillstehende Rad als Nachleitrad
für die zu fördernde, Flüssigkeit dient. Bei dieser Anordnung wird jedoch die Flüssigkeit
zwischen dem Laufrad und dem Nachleitrad um 180° umgelenkt, wodurch naturgemäß ein
erheblicher Förderverlust bedingt ist. Als Turbine ist diese Maschine außerdem nicht
verwendbar.
Andererseits ist bereits vorgeschlagen worden, eine
Rohrturbine mit zwei unabhängig voneinander umdrehbaren, in Strömungsrichtung unmittelbar
aufeinanderfolgenden Laufrädern auszurüsten, von denen jedes mit einem Teil der
elektrischen Maschine, nämlich dem Stator bzw. dem Rotor, verbunden ist. Jedoch
ist die vorgeschlagene Anordnung weder für einen Betrieb mit wechselseitiger Anströmung
noch als Pumpe mit wechselnder Förderrichtung vorgesehen oder geeignet.
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Die aufgezeigten Nachteile der bekannten Anordnungen vermeidet die
nach der Erfindung ausgebildete Strömungsmaschine.
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Gemäß der Erfindung ist eine axial durchströmte Turbine oder Pumpe
mit verstellbaren Laufradschaufeln für entgegengesetzte Durchströmrichtungen mit
zwei in an sich bekannter Weise unabhängig voneinander umdrehbaren, in Strömungsrichtung
unmittelbar aufeinanderfolgenden Laufrädern ausgerüstet, von denen jeweils das dem
Zulauf nächstliegende Laufrad in an sich bekannter Weise feststellbar ist und für
das andere Laufrad als Leitrad dient, wobei die Schaufeln mit einem Verstellmechanismus
versehen sind, der in an sich ebenfalls bekannter Weise eine Verstellung der Schaufeln
um 180° gestattet.
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Für die Verwirklichung des Erfindungsgedankens sind vielerlei Ausführungen
möglich. Praktisch kommen hierfür alle bekannten axial durchflossenen Turbinenarten
in Betracht. So können z. B. die beiden Laufräder in an sich bekannter Weise in
in einem Führungsrohr für das Strömungsmittel abgestützten Lagerböcken gelagert
sein und mit einer beiden Laufrädern gemeinsamen, vom Strömungsmittel umflossenen
elektrischen oder mechanischen Maschine in an sich bekannter Weise einen zu einer
Baueinheit vereinigten Maschinensatz bilden.
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Andererseits kann es vorteilhaft sein, was schon für Einrad-Strömungsmaschinen
vorgeschlagen wurde, die Turbinennabe beiderseits der beiden Laufräder erweitert
auszubilden. Zusammen mit der in jeder der beiden Nabenhälften eingebauten elektrischen
Maschine bildet jedes Laufrad dann mit dieser einen zu einer Baueinheit vereinigten
Maschinensatz.
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Eine andere Ausführungsform ergibt sich, wenn die beiden Laufräder,
die gleichfalls in an sich bekannter Weise in in einem Führungsrohr für das Strömungsmittel
abgestützten Lagerböcken gelagert sind, an ihrem Umfang mit Außenkränzen versehen
sind, die den bewegten Teil einer vom Strömungsmittel durchflossenen elektrischen
Maschine tragen.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, in beiden Fällen die Laufräder mit
der elektrischen oder mechanischen Maschine, mit der sie zusammenwirken, in an sich
bekannter Weise baulich so eng zusammenzufassen, daß sie mit dieser einen zu einer
Baueinheit vereinigten Maschinensatz bilden. Die bauliche Zusammenfassung der Laufräder
mit der elektrischen oder mechanischen Maschine entspricht in besonderer Weise dem
Erfordernis, daß die Laufräder wechselweise mit der elektrischen oder mechanischen
Maschine gekuppelt werden müsen, um allen Bedingungen der wechselseitigen Anströmung
und den beiden Betriebsweisen als Pumpe bzw. Turbine zu genügen.
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Gerade im Hinblick auf die Möglichkeit einer Zusammenfassung zu einer
geschlossenen Baueinheit unterscheidet sich der nach der Erfindung ausgebildete
Maschinensatz vorteilhaft von allen bisherigen Anordnungen für einen Turbinenbetrieb
mit wechselseitiger Anströmung bzw. einem Pumpenbetrieb mit wechselnder Förderrichtung.
Gegenüber den bekannten Turbinen ermöglicht die nach der Erfindung ausgebildete
Doppelradturbine eine Vereinfachung des Kraftwerkkörpers bei gleichzeitig geringsten
Abmessungen desselben. So ist die Doppelradturbine in besonderem Maße für den Einbau
im die als Unterwasserkraftwerk bekanntgewordenen Wehrkraftwerke, aber auch zum
Einbau in Hochdruckleitungen geeignet.
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Die Anordnung zweier Laufräder und deren wahlweise Verwendung als
Laufrad bzw. Leitrad gestattet, in kürzester Frist von der einen Betriebsweise in
die andere überzugehen.
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So ist es beispielsweise bei der nach der Erfindung ausgebildeten
Turbine möglich, vom Turbinenbetrieb auf einen Pumpenbetrieb überzugehen, indem
lediglich die Schaufeln eines der beiden Laufräder umgestellt werden. Selbstverständlich
bringt die Vereinigung der hydraulichen Erfordernisse für einen Turbinenbetrieb
mit wechselseitiger Anströmung und einen Pumpenbetrieb mit wechselnder Förderrichtung
in einem Maschinensatz auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile für den Maschinensatz
selbst. Die einfache sowie gedrängte Konstruktion bedingt relativ niedrige Herstellungskosten.
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Als Anwendungsgebiete kommen für die nach der Erfindung ausgebildete
Doppelradturbine Pumpspeicherwerke und vor allen Dingen Gezeitenkraftwerke in Betracht.
Gerade bei der letzteren sind die möglichen Gefällshöhen begrenzt, und es ist deshalb
die gedrängte Zusammenfassung der hydraulischen Bauteile in einer Maschineneinheit
von ganz besonderem Vorteil.
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Für die Verwendung bei Gezeitenkraftwerken bringt die nach der Erfindung
ausgebildete Doppelradturbine noch einen weiteren Vorteil, da es ohne zusätzlichen
Aufwand möglich ist, die Schaufeln der beiden Laufräder derart umzustellen, daß
die Turbine auch als Durchlaß, Leerschuß od. dgl. für das Triebmittel betrieben
werden kann.
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Betrieblich sind bei der Doppelradturbine Umkupplungen zwischen den
Laufrädern und der mit diesen zusammenlvirkenden elektrischen oder mechanischen
Maschine vorzunehmen, indem z. B. die Laufräder wechselweise mit dem feststehenden
Naben- oder Gehäuseteil gekuppelt werden müssen. Hierfür werden zweckmäßigerweise
Schleifkupplungen bzw. Schleifbremsen vorgesehen, die so ausgebildet sind, daß der
Übergang der Umlaufgeschwindigkeit der Räder auf die des jeweils mit diesen zu kuppelnden
Teiles weich erfolgen kann. Vorzugsweise wird man diese Schleifkupplungen bzw. Schleifbremsen
hydraulisch betätigen.
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Die Zeichnung erläutert den Erfindungsgedanken und gibt mehrere Ausführungsbeispiele
der Erfindung wieder. Es zeigt Fig. 1 eine axial durchflossene Doppelradturbine
mit vom Triebwasser durchflossenem Generator, Fig. 2 bis 8 eine schematische Darstellung
der wechselseitigen Funktion der Laufräder als Leit-bzw. Laufrad bei Turbinen- und
Pumpenbetrieb sowie als Durchlaß, Fig. 9 die Verbindung einer elektrischen Maschine
mit den beiden Laufrädern einer axial durchflossenen Doppelradturbine mit vom Triebwasser
durchflossenem Generator, Fig. 10 die wechselweise Kupplung des Rotors der elektrischen
Maschine einer axial durchflossenen Doppelradturbine mit wasserdurchflossenem Generator
mit einem der beiden Laufräder, Fig. 11 eine axial durchflossene Doppelradturbine
mit beiderseitig erweiterter Turbinennabe und einem
oder je einem
vom Triebwasser umflossenen Generator, Fig. 12 eine Anordnung für eine Doppelradturbine
mit einem in der einseitig erweiterten Turbinennabe angeordneten Generator, Fig.
13 eine axial durchflossene Doppelradturbine mit außerhalb des Triebmittelführungsrohres
liegenden elektrischen oder mechanischen Maschinen, Fig. 14 ein Beispiel für die
Anordnung von Schleifkupplungen bzw. Schleifbremsen bei einer Doppelradturbine.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 besteht aus einem axial angeströmten,
als Pumpe oder Turbine verwendbaren Maschinensatz mit zwei Laufrädern 1 und 2, die
beide in der mittels Stützenschaufeln 4, 4' zentrisch in den Wasserführungsrohrteilen
5, 5' gehaltenen Turbinennabe 3, 3' gelagert sind, und einer als Außenläufer ausgebildeten,
die Laufräder konzentrisch umgebenden elektrischen Maschine 6, die von einem Gehäuse
6' abgedeckt ist. An die Außenkränze 7, 7' der Laufräder 1 und 2 schließen
sich beiderseitig die im Mauerwerk 8, 8' verankerten Wasserführungsrohrteile 5,
5' an. An den Spaltstellen 9, 9' zwischen den Außenkränzen und Wasserrohrteilen
sind in üblicher Weise Spaltabdichtungseinrichtungen mit den zugehörigen Fangschalen
für die Abführung des an diesen Stellen durchtretenden Spaltwassers vorgesehen.
Ferner ist in dem Spalt 10 zwischen den beiden Außenkränzen 7, 7' eine Dichtung
vorzusehen. Die Ausbildung der Dichtung kann beliebiger Art sein.
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Als Abschlußorgane sind Drosselklappen 11, 11' vorgesehen, die drehbar
im Mauerwerk 8, 8' der Wasserführung gelagert sind.
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Die beiden Laufräder 1 und 2 sind so angeordnet, daß erfindungsgemäß
jeweils eines der beiden in einer bestimmten Lage festgestellt werden und als Leitrad
für das andere wirken kann.
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Zu diesem Zweck sind die in Form und Abmessungen übereinstimmenden
Schaufeln der beiden Laufräder 1 und 2 in den Laufkränzen so um Zapfen. drehbar
gelagert, daß ihre Winkellage um mindestens 180° geändert und in der gewünschten
Stellung festgehalten werden kann.
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Die verschiedenen Winkellagen der Schaufeln sind in Fig. 8 veranschaulicht,
wobei a der Gesamtverstellwinkel ist.
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Die Schaufeln werden im Turbinenbetrieb beim Wechsel der Funktion
der beiden Laufräder um den Winkel ß umgestellt, wobei ca die Stellung der Schaufel
als Leitrad und cd die Stellung als Laufrad bedeutet.
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Im Pumpenbetrieb mit wechselseitiger Förderrichtung werden die Schaufeln
aus der Winkellage b in die Winkellage b' um den Winkel
y verstellt.
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Für den Betrieb als Durchlaß oder Leerschuß mit wechselseitiger Fließrichtung
werden die Schaufeln in die Stellung c und c' gebracht.
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Die Wirkung der Winkellagenverstellung veranschaulichen die Fig. 2
bis 7.
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Die Fig. 2 und 3 zeigen die Betriebsweise als Turbine. Bei der Stellung
nach Fig.2 wirkt das Laufrad2 als Leitrad, während nach Fig. 3 bei entgegengesetzter
Anströmung des Betriebswassers das Laufrad 1 als Leitrad dient. Die Anströmung des
Betriebswassers ist jeweils durch die Pfeile P und die Drehrichtung jeweils durch
den Pfeil R angedeutet.
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Die Fig. 4 und 5 zeigen die Arbeitsweise als Pumpe, wobei die Pfeile
R wieder die Drehrichtung angeben.
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Die Fig.6 und 7 geben die Schaufelstellung für den Fall wieder, daß
die Strömungsmaschine als Durchlaß oder Leerschuß betrieben wird.
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Bei der Ausführung nach Fig. 9 ist der Anker 6" einer elektrischen
Maschine mit dem Laufradaußenkranz 7' über eine entsprechende Tragkonstruktion 12
so verbunden, daß der Anker mit dem Außenkranz 7' des Laufrades 2 (Fig. 1) umläuft,
wenn dieses Rad als Laufrad wirkt.
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Der Ständer 6"' der elektrischen Maschine ist unmittelbar durch einen
Tragflansch 13 mit dem Außenkranz 7des anderen Laufrades 1 verbunden und läuft mit
diesem um, wenn das Rad 1 als Laufrad verwendet wird.
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Die Verbindung der Turbine bzw. der Pumpe mit der elektrischen Maschine
kann auch so erreicht werden, daß der Ständer 6" (Fig. 10) der elektrischen Maschine
an dem feststehenden Gehäuse 6' (Fig. 1 und 10) befestigt ist, während der Rotor
16 abwechselnd mit dem einen oder dem anderen Laufradaußenkranz durch eine besondere
Kupplungseinrichtung verbunden wird. Für diese Kupplungseinrichtung kann eine bekannte
Anordnung verwendet werden.
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Eine geeignete Kupplung, die nicht Gegenstand der Erfindung ist, zeigt
Fig. 10. Diese besitzt mehrere gleichmäßig über die Innenseite des Rotors 16 verteilte
exzentrische Rollen 14, 14', die mittels an ihnen vorgesehener Hebel 15, 15' verstellt
werden können und den Rotor genau zentrisch auf dem Außenkranz 7 oder 7' des jeweiligen
Laufrades lagern. Die Verbindung ist so gestaltet, daß sie bei Kraftabgabe ständig
fester wird. Sobald der Rotor 16 fest mit dem einen der beiden Laufkränze
7 oder 7' gekuppelt ist, kann das andere Laufrad gelöst und festgestellt werden.
In Fig. 10 befinden sich die Rollen 14 in Klemmstellung und verbinden den Außenkranz
7' des Laufrades 2 mit dem Rotor 16.
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Ein anderes Beispiel derAnordnung der elektrischen Maschine und der
aus zwei Laufrädern bestehenden Strömungsmaschine zeigt Fig. 11.
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Die Nabenkörper 17 und 17' sind bei diesem Ausführungsbeispiel so
stark erweitert, daß in ihnen Generatoren normaler Bauart untergebracht werden können.
In dem Mittelstück des Wasserführungsrohres 19, das zwischen den beiden Mauerwerken
8, 8' eingespannt ist, sind die beiden Laufräder 1 und 2 ähnlich wie bei dem Beispiel
nach Fig.1 zwischen den beiden Stützschaufelringen 4, 4' so angeordnet, daß jeweils
eines nach Stillsetzung die Wirkung eines Leitrades übernimmt.
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Die Erweiterung der beiden Turbinennaben 17, 17' hat noch den Vorteil,
daß die Laufräder der Maschine geschützt sind, da die Naben gleichzeitig als Wellenbrecher
dienen. Dies ist besonders für dieVerwendung der Maschinenaggregate in Ebbe- und
Flutanlagen, die starken Meeresströmungen ausgesetzt sind, von Bedeutung.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 zeigt, , daß alle zum Betrieb
der elektrischen Maschine notwendigen Teile in der nur auf einer Seite der Anlage
erweiterten Turbinennabe untergebracht werden können.
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Die erweiterte Nabe 17 ist ähnlich wie bei Fig. 11 im Mauerwerk 8
abgestützt, während eine am Laufrad 2 sich anschließende Nabe 24 mittels Stützschaufeln
26 im Wasserführungsrohr 27 abgestützt ist.
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Die Verbindung des jeweils umlaufenden Laufrades mit der elektrischen
oder mechanischen Maschine kann in beliebiger Weise erfolgen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung und Ausbildung der zwei Laufräder 1
und 2 ist jedoch nicht nur an die direkte Kombination aus Turbine bzw. Pumpe und
elektrischer Maschine gebunden, sondern kann
ebenso in anders zusammengestellten
Maschinenaggregaten verwendet werden.
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Eine solche Verwendung kann z. B. in einem Maschinenaggregat vorteilhaft
sein, bei dem der elektrische oder mechanische Teil von dem hydraulischen Teil dadurch
getrennt ist, daß die Kraftabgabe bzw. Kraftübertragung durch die verlängerte Welle
geschieht, wobei die elektrische oder die mechanische Maschine in an sich bekannter
Weise außerhalb des Triebwasserführungsrohres in einem besonderen Raum untergebracht
ist.
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Ein Beispiel dieser Art zeigt Fig. 13, wo ein axial angeströmter,
als Pumpe oder Turbine verwendbarer Maschinensatz, bestehend aus zwei Laufrädern
1 und 2, in der Nabe 28 gelagert ist. Die Turbine bzw. Pumpe ist mit dem sie ummantelnden
Wasserführungsrohr 29 mit den Flanschen 30 im Mauerwerk 8, 8' eingespannt. Die elektrische
oder mechanische Maschine, befindet sich außerhalb des Wasserführungsrohres und
kann durch die verlängerte, nach außen führende Welle 31 angetrieben werden.
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Fig. 14 veranschaulicht eine für die Zwecke der Erfindung geeignete,
aber nicht zum Erfindungsgegenstand gehörende Anordnung von Schleifkupplungen bzw.
von Schleifbremsen an einer Doppelradturbine bzw. einer Doppelradpumpe und gibt
den Axialschnitt durch die Nabe einer nach der Erfindung ausgebildeten Strömungsmaschine
wieder, deren umlaufende Nabenteile 71 und 72 in. den feststehenden Nabenteilen
73 und 74 gelagert sind.
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Zu der elektrischen oder mechanischen Maschine, mit der die Laufräder
zusammenwirken, führt die Welle 75, auf die in naheliegender Weise eine Kupplung
76 aufgesetzt ist. Mittels der Kupplung 76 kann wechselweise der Kraftschluß zwischen
dem einen oder dem anderen Laufrad und der Welle 75 hergestellt werden. Die Kupplung
76 ist als Schleifkupplung mit Reibscheiben 77 ausgebildet. Die Reibscheiben 77
werden durch druckölgesteuerte Kolben 78 gegen die umlaufenden Nabenteile 71 oder
72 gepreßt und bewirken so ein weiches Angleichen der Umlaufgeschwindigkeiten der
jeweils zu kuppelnden Teile. Die feste Kupplung erfolgt dann anschließend durch
Einschieben druckölgesteuerter Bolzen 79. In ähnlicher Weise wird das jeweils als
Leitrad bestimmte Schaufelrad gegenüber dem feststehenden Nabenteil durch eine Schleifbremse
80 weich abgebremst, und zwar mit Hilfe druckölbetätigter Reibscheiben 80. Die Feststellung
des betreffenden Leitrades erfolgt sodann durch Bolzen 81.