DE2354166A1

DE2354166A1 - Umkehrbare mehrstufige hydraulische maschine

Info

Publication number: DE2354166A1
Application number: DE19732354166
Authority: DE
Inventors: Michel Dipl-Ing Fauconnet
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1972-10-31
Filing date: 1973-10-30
Publication date: 1974-05-09
Also published as: US3867059A; CH555979A

Description

ESCHER WYSS "G.M.B.H., Ravensburg (Württbg.) '

Umkehrbare mehrstufige hydraulische Maschine

Die Erfindung betrifft eine umkehrbare mehrstufige hydraulische Maschine mit mindestens drei Arbeitsstufen, deren Laufräder auf einer gemeinsamen Maschinenwelle angeordnet sind. ·

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Wie bekannt, weisen die umkehrbaren mehrstufigen hydraulischen Maschinen, welche mit einem Mctor-Alternator verbunden sind und sich in beiden Brehrichtungen mit derselben Winkelgeschwindigkeit drehen, ihren besten Wirkungsgrad als Turbine an Gefällen auf, welche um 20 bis 40$ grosser sind als die Lieferhöhen,, welche von ihnen bei einem besten Wirkungsgrad als Pumpen erreicht werden können. Aus diesem Grunde kann nicht ein© umkehrbare mehrstufige hydraulische Maschine mit nur einer einsigen Ar$>®itsstufe im allgemeinen so ausgelegt werden« uta an einem Gefälle, welches ihrem besten Wirkungsgrad als Turbine entspricht, eingesetzt zu wer4@n. Das bedeutet einen beträchtlichen Energieverlust und deswegen wird oft ein Dreimaschinensatz oder sogenannten Isogyren g@wählt_s welche zwei Laufräder, Je auf einem separaten Arbeitsmediumweg, für den jeweiligen Einsatz des Maschinensatzes als Pumpe oder als Turbine aufweisen, -

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Z.Nr.5 471 108/109

Wenn hohe Gefälle, welche eine hydraulische Maschine mit einigen Arbeitsstufen erfordern, vorliegen, wird es möglich, die beschriebenen Nachteile der einstufigen Maschinen zu meiden, durch eine Konstruktion, welche es erlaubt, beim Pumpbetrieb mehrere Arbeitsstufen der Maschine in Betrieb zu schalten als beim Turbinenbetrieb. Eine individuelle und richtig gewählte Ausführung der Beschaufelung der einzelnen Laufräder ermöglicht es, die Maschine den Gegebenheiten konstruktionell so anzupassen, dass sie ebenso als Pumpe wie als Turbine in der Nähe des jeweiligen besten Wirkungsgrades arbeitet.

Die während des Turbinenbetriebes betriebenen Laufräder werden mit Vorteil durch einen vorgeschalteten verstellbaren Leitapparat gespeist. Dieses Organ erlaubt bei Jedem Gefälle einen solchen Wasserdurchfluss einzustellen, welcher dem möglichst höchsten Wirkungsgrad entspricht. Einfachheitshalber wird nur ein Teil der beim Turbinenbetrieb betriebenen Laufräder mit einem Leitapparat versehen. Dadurch wird aber die Aufteilung des Gefälles auf die Arbeitsstufen unausgeglichen, was den Wirkungsgrad negativ beeinflusst und zwingt, den Bereich der Regulierung zu begrenzen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die Regulierbarkeit und den gesammten Wirkungsgrad einer umkehrbaren mehrstufigen hydraulischen Maschine zu verbessern.

Dies wird bei der eingangs aufgeführten hydraulischen Maschine, deren Laufräder auf einer geraeinsamen Maschinenwelle angeordnet sind dadurch erreicht,, dass mindestens

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eines der Laufräder so angeordnet ist, dass seine

Saugöffnung axial in die zur Saugöffnungsrichtung der übrigen Laufräder entgegengesetzte Richtung führt, wobei dieses Laufrad Rücken an Rücken zu dem ihm am nächsten liegenden Laufrad angeordnet ist, weiter, dass eine Gruppe von AbschlussOrganen vorhanden ist zum Ausserbetriebsetzen von mindestens einer Arbeitsstufe der Maschine und weiter noch dadurch, dass jedem der gegeneinander Rücken an Rücken angeordneten Laufräder je ein regulierbarer Leitapparat zugeordnet ist, wobei die Leitschaufeln der Leitapparate mittels für die beiden Leitapparate gemeinsamer Schaufelwellen und Hebeln mit einem einzigen Regulierring verbunden und einstellbar sind.

Dabei wird vorteilhafterweise mindestens eines der Gruppe der Abschlussorgane als ein allgemein bekannter axialverschiebbarer Abschlussring in einer zylindrischen Form ausgeführt, wobei eines der Gruppe der Abschlussorgane als ein allgemein bekannter· axialverschiebbarer Abschlussring mit doppeltem Effekt ausgeführt ist.

Die beiliegenden Zeichnungen stellen schematisch zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dar, welcher anhand deren im weiteren näher beschrieben und erklärt wird. Es zeigen:

Pig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie II-II in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles-, welches eine andere Gruppe der Absperrorgane aufweist,

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Pig. 4 einen Querschnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3-

Die Maschine gemäss Fig. 1 und 2 weist eine Maschinenwelle i auf, welche in nicht gezeigten Lagern gelagert ist und mit welcher drei Lauf räder 2, |3 und "4 verbunden sind; die Saugöffnung des mit 2 bezeichneten Laufrades führt axial auf die andere Seite als die Saugöffnung der mit 3 und 4 bezeichneten Laufrader. Das diesem Laufrad 2 am nächsten liegende Laufrad 4 steht zu Jenem Rücken an Rücken. Die Beschaufelung des mit 2 bezeichneten Laufrades ist entsprechend relativ zu seiner Saugöffnung ausgeführt.

Die Leitapparate 5 und 6 weisen je einen Satz von einstellbaren Leitschaufeln auf und sind an der Periferie der Laufräder 4 und 2 untergebracht. Die Saugöffnungen dieser zwei Laufräder 4 und 2 führen axial in einander entgegengesetzten Richtungen, und die Leitapparate 5, liegen nahe nebeneinander. Die Wellen 7 tragen jeweils eine Leitschaufel des mit 5 bezeichneten Leitapparates und eine Leitschaufel des mit 6 bezeichneten Leitapparates. Hebel 8 sind mit den Wellen 7 verbunden und werden auf eine bekannte Weise mittels eines Regulierringes 9 bewegt, wodurch eine gleichzeitige Einstellung der Winkelposition aller Leitschaufeln in den beiden Leitapparaten 5 und 6 erreicht ist, was gleichzeitig das Regulieren des Durchflusses des Betriebsv/assers durch die Laufräder 4 und 2 der Maschine gewährleistet.

Jenseits der Leitapparate 5 und 6 hinsichtlich der Laufräder 4 und 2 befinden sich Kanäle 10 und 11 und führen

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zu einem Umleitungsstück 12. Dieses Umleitungsstück ist eine bekannte Ausführung, bei welcher die Kanäle durch Strömungswege 12a in ein Spiralgehäuse 13 münden, während die Kanäle 11 durch Strömungswege 12b in dem Umleitungsstück 12 in die Kanäle 14 bzw. 15 übergehen.

Jenseits der Strömungswege 12b gehen die Kanäle in zwei Leitungszweige 14 und 15 über. Der Leitungszweig 14 führt zum Saugrohr des Laufrades J>, Der Leitungszweig führt zum Saugrohr des Laufrades 4, in welches er durch einen Kanal 16 mündet hinter einer Einmündung vom Kanal VJ, welcher vom Laufrad 3 herführt.

Die Kanäle 14 und 15 können abwechselnd mittels eines Abschlussorgans 18 gesperrt werden, welches in der Ausführungsform gemäss Fig. 1 die Form eines axialverschiebbaren Abschlussringes mit doppeltem Effekt aufweist. Durch Verschieben des Abschlussringes in axialer Richtung wird entweder der Kanal 14 geöffnet und gleichzeitig der Kanal 15 gesperrt oder umgekehrt. Ein weiterer Abschlussring 19*welcher an der Feriferie des Laufrades 3 angebracht ist, kann je nach Bedarf den vom Laufrad 3 zum Kanal 15 führenden Kanal 17 sperren.

So wie es gezeigt ist, werden in der Maschine gemäss Fig. 1 beim Turbinenbetrieb nur die Arbeitsstufen mit den Laufrädern 4 und 2 eingeschaltet bzw. betrieben, während beim Pumpbetrieb alle drei Arbeitsstufen eingeschaltet bzw. in Betrieb gesetzt werden.

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Bei dem Turbinenbetrieb befinden sich die Abschlussringe 18 und 19 in der Schaltungsposition, welche in Fig. 1 rechts gezeigt ist, wo diese Abschlussringe mit 18a und 19a bezeichnet sind. Das Laufrad > ist also ausser Betrieb gesetzt und trockengelegt mittels einer bekannten hier nicht gezeigten Vorrichtung, um Energieverluste durch Immersion der Stufe zu vermeiden.

Nach Oeffnen eines nicht gezeigten Absperrorgans strömt das Druckwasser durch ein Spiralgehäuse Γ5. Das Wasser strömt weiter durch die Strömungswege 12a und Kanäle 10 durch den Leitapparat 5, welcher für das Speisen des Laufrades 4 richtig wie gewünscht eingestellt ist. Das Wasser kommt dann durch die Saugöffnung des Laufrades h und durch die Kanalwege 16, 15, 12b und 11 zum Leitapparat 6, durch welchen das Laufrad 2 gespeist 1st. Nach Durchgang durch das Laufrad 2 verlässt das Wasser die Maschine durch ein Saugrohr 20. Das Laufrad 2 ist auf dieselbe Weise (bis auf den Rotationssinn der Schaufeln) ausgeführt wie das Laufrad 4 und wird durch den Leitapparat 6 gespeist, welcher gekoppelt unter gemeinsamer Regelung wie der Leitapparat 5 angeordnet ist, wodurch die Aufteilung der Umwandlung der Energie gleichmässig zwischen den beiden Laufrädern 2 und k erreicht ist, wobei ein solcher Umfang der Regulierbarkeit erreichbar ist, welcher im Normalfall bei einem einstufiges:. Francislaufrad möglich ist.

Bei Anwendung als Pumpe wird die Maschine in dem umgekehrten Rotationssinn gedreht als bei der Anwendung

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als Turbine. Die Abschlussorgane 18 und I9 befinden sich in der Schaltungsposition, welche links in Fig. 1 gezeigt ist. Das Laufrad 3 ist nun in äen Viasserweg eingeschaltet, und bevor die Maschine als Pumpe in Betrieb gesetzt werden soll, muss diese Arbeitsstufe wieder mit Wasser gefüllt' werden dies wenigstens bevor das nicht gezeigte HauptabSchlussorgan, welches die Maschine von der Druckleitung trennt, geöffnet ivird. Die beiden Leitapparate 5 und 6 bleiben in vorgegebener Oeffnungsposition, welche der Druckhöhe entspricht. .

Das Wasser, angesaugt durch das Laufrad 2 ist geführt zu den Laufrädern 3_und.4 durch 3ene Leitungszweige, welche mittels der Schaltungsposition der Abschlussorgane 18", 19 freigegeben sind und erreicht denjenigen Druck, welcher es erlaubt, dass das Wasser aus dem Spiralgehäuse I3 in Richtung der Druckleitung der Pumpturbinenanlage fliesst.

Die'AusTührungsform des Laufrades 3 ist wesentlich anders als jene der Laufräder 2 und 4. Die Leistungsanteile der Laufräder 2 und \ sind gleich gross und der Leistungsanteil des Laufrades 3 dient zum Erreichen des besten Wirkungsgrades unter Berücksichtigung der Aenderungen der Wasserspiegelhöhe im oberen und unteren Stausee der Anlage. ·

In dem besonders in Fig. 3 und k gezeigten Ausführuilgsbeispiel ist das axial verschiebbare Abschlussorgan durch ein rotierbares Abschlussorgan 21 ersetzt, welches

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als Ring augeführt ist und abwechselnd eine Oeffnung'22 mit einem gekrümmten Durchgang und eine Oeffnung 23 mit einem geraden Durchgang aufweist. Eine nicht gezeigte Betätigungseinrichtung lässt das Abschlussorgan 21 drehen, entweder in einem oder im.anderen Richtungssinn, wodurch das Wasser aus den Strömungswegen 12b kommend entweder durch die Oeffnungen 22 oder durch die Oeffnungen dieses rotierenden Abschlussorgans 21 strömen kann.

Wenn, wie rechts in Fig. 3 s das Wasser durch die Oeffnungen-22 strömt, ist dieselbe Wasserwegschalturig eingestellt, welche mit dem verschiebbaren Absperrorgan 18 in Position 18a in Fig. 1 rechts gezeigt ist.

Die Kanäle 15 sind gespeist, während die Kanäle lh für den Wasserdurchgang gesperrt sind und die Maschine kann als Turbine eingesetzt werden, unter der Bedingung, dass das verschiebbare Abschlussorgan 19j wie bei der früher beschriebenen Ausführungsform gemäss Fig. 1, in die mit 19a bezeichneten Schaltungsposition gestellt ist.

Wenn, wie links in Fig. 3, die Oeffnungen 23 mit den Strömungswegen 12b in Verbindung stehen, ist die gleiche Situation eingestellt wie bei dem verschiebbaren Abschlussring 18 in Fig. 1 in Position 18; die Kanäle sind geöffnet und die Kanäle 15 sind gegen den Wasserdurchgang gesperrt; die Maschine kann als Pumpe eingesetzt werden, wenn dazu der Abschlussring 19 in der Schaltungsposition 19 steht und die Kanäle 17 offen lässt, wie früher beschrieben.

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Mehrere weitere Variationsmöglichkeiten zu diesen eben beschriebenen und in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispielen sind denkbar.

Es wäre vorstellbar, eine oder mehrere weitere Arbeitsstufen auf die eine oder andere Seite der drei Laufräder Jj, 4, 2 hinzuzufügen, wobei das an der Seite des Laufrades 3 hinzugefügte Laufrad bzw. die ,hinzugefügten Laufräder ihre Saugöffnungen in dieselbe Richtung angeordnet hätten, wie das nächstbenachbarte Laufrad 3 bzw. die an die Seite des Laufrades 2 hinzugefügten Lauf räder ihre Saugöffnungen in dieselbe Hichturig angeordnet hätten, wie das ihnen nächstbenachbarte Laufrad 2.

Es wäre, auch bei einer Maschine mit sehr vielen Arbeitsstufen möglich, ein gemeinsames Abschlussorgan zur Ausserbetriebsetzung von einigen Arbeitsstufen anzuordnen.

Durch die oberibeechriebene Anordnung der Laufräder ist eine Vereinfachung und Verbesserung der eingangs beschriebenen Maschine erreicht. Es ist dadurch die gleichzeitige simultane Betätigung der zwei Leitapparate möglich, welche den Rücken an Rücken nebeneinanderliegenden Lauf rädern 2 und 4 zugeordnet werden können, da die Saugöffnungen dieser zwei Laufräder 2 und 4 im einander entgegengesetzten Richtungssinne" angeordnet sind. Weiter erlaubt die Anordnung eine Arbeitsstufe oder einige Arbeitsstufen ausser Betrieb zu setzen mittels Absperrorgane verschiedener Typen, welche in der Maschine eingebaut sind.

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Ein weiterer Vorteil der Anordnung bei welcher die Säugöffnungen der Laufräder im einander entgegengesetzten Richtungssinne gestellt sind, beruht in der Verminderung der Axialdrücke und der Verluste durch Druckgefälle in den Spaltdichtungen, \\'as sich auf den gesammten Wirkungsgrad der Anlage positiv auswirkt.

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Claims

Pate n.t ansprüche

Umkehrbare mehrstufige hydraulische Maschine mit mindestens drei Arbeitsstufen, deren Laufräder auf .einer gemeinsamen Manchinenwelle angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Laufräder (2) so angeordnet ist, dass seine Säugöffnung axial in die zur Saug- ^Öffnungsrichtung der übrigen Laufräder (3, 4) entgegengesetzte Richtung führt, wobei dieses Laufrad (2) Rücken an Rücken zu dem ihm am nächsten liegenden Laufrad (4) angeordnet ist, weiter, dass eine Gruppe von Abschlussorganen (18, 19) vorhanden ist, zum Ausserbetrxebsetzen von mindestens einer Arbeitsstufe der Maschine.

Maschine nach Anspruch l_s dadurch gekennzeichnet, dass jedem der gegeneinander Rücken an Rücken angeordneten Laufräder (2, 4) je ein regulierbarer Leitapparat (5, 6) zugeordnet ist, wobei die Leitschaufeln der Leitapparate (5, 6) mittels für die beiden Leitapparate gemeinsamer Schaufelwellen (7) und Hebeln (8) mit einem einzigen Regulierring (9) verbunden und einstellbar sind.

Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gr*uppe der Abschlussorgane (18, 19) als ein allgemein bekannter axialverschiebbarer Abschlussring (I9) in einer zylindrischen Form ausgeführt ist.

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4. Maschine nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Gruppe der Abschlussorgan (18, 19) als ein allgemein bekannter axialverschiebbarer Abschlussring (18) mit doppeltem Effekt ausgeführt ist.

5. Maschine nach Anspruch i und J>₃ dadurch gekenn ze i ch η e t, dass eines der Gruppe der Abschlussorgane als ein rotierbarer Abschlussring (21) mit doppeltem Effekt ausgeführt ist.

6. Maschine nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Arbeitsstufe der Maschine zugeordnet ist und zwar an der einen oder anderen Seite der drei nebeneinanderliegenden Arbeitsstufen mit zwei gegeneinander Rücken an Rücken angeordneten Laufrädern (2, 4), wobei die Saugöffnung dieser weiteren Arbeitsstufe in dieselbe Richtung führt wie die Saugöffnungen des Laufrades (2. oder 4) der zunächstbenachbarten Arbeitsstufe.

7. Maschine nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, dass eine gemeinsame Abschlussorgangruppe so einigen Arbeitsstufen zugeordnet ist, dass diese Arbeitsstufen der Maschine durch Betätigung der Abschlussorgangruppe gleichzeitig ausser Betrieb gesetzt werden können.

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