CH623115A5 - Radial pump turbine for two-stage turbine and three-stage pump operation - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Radial-Pumpenturbine, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Es ist bekannt, dass zwecks optimaler Ausnutzung von Energieverhältnissen bzw. bestmöglicher Ausgleichung der Druckverhältnisse bei einer Francis-Pumpenturbine, die für den Pumpenbetrieb mit drei Stufen ausgerüstet ist, im Turbinenbetrieb eine Stufe abgeschaltet wird, wodurch man sich den typischen Charakteristiken der separaten Pumpen und Turbinen annähert. Es ist weiterhin zweckmässig, dass die Leitschaufeln in den Turbinenstufen verstellbar sind, zwecks Verbesserung der Regelung der gesamten Anlage sowie der Regulierung der Turbinenleistung.

Die Ausführungen derartiger bekannter Pumpenturbinen ermöglichen zwar, dass beim Turbinenlauf je eine von in Serie angeordneten Stufen abgeschaltet werden kann, doch ist bei diesen Anlagen keine wirkliche Regulierung durch die Leitschaufeln möglich. Bei anderen bekannten Ausführungsformen, bei welchen es sich hauptsächlich um zweistufige Turbinen mit gegensinnig gerichteten Laufrädern handelt, sind dagegen bewegliche Leitschaufeln vorhanden, doch diese Pumpenturbinen ermöglichen keinen günstigen Ausgleich der Druckverhältnisse beim Pumpen- und/oder Turbinenlauf durch das Abschalten je einer Stufe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der bekannten mehrstufigen Pumpenturbinen zu vermeiden und eine mehrstufige Pumpenturbine zu schaffen, die im Grunde eine Kombination der beiden bekannten Gruppen ist, wobei es möglich ist, die Maschine im Turbinenlauf zu regulieren und die feste Leitschaufeln aufweisende Stufe hydraulisch und eventuell auch mechanisch abzuschalten.

Die erwähnte Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Radial-Pumpenturbine gelöst.

Die Vorteile, welche durch die Bauart der Pumpenturbine gemäss der Erfindung erreicht werden, liegen in den optimalen Druckverhältnissen in den beiden Betriebsfällen, in der Regulierbarkeit der beiden im Turbinenlauf arbeitenden Stufen, wodurch das Regulieren der Anlage während des Anlaufs sowie die Regelung der Leistung während des Betriebs ermöglicht werden, ferner in der Möglichkeit einer kompakten Ausführung, in unaufwendiger Fertigung, einfachem Transport, Zusammenbau und Abbau, indem das gesamte Gehäuse auf kleinere Bauteile aufgeteilt ist. Weiter kann die Anlage für höhere Drehgeschwindigkeiten gebaut werden, wodurch die Durchgangsprofile und das Gewicht sowie der Preise des Antriebsmotors bzw. Generators vermindert werden, unter Beachtung der Energieverhältnisse aber noch in den besseren hydraulischen Wirkungsgraden der einzelnen Stufen. Weitere Vorteile liegen im zum Teil selbsttätigen Ausgleich der hydraulisch bedingten Axialbelastungen der Laufräder und im Falle der als Turbine laufenden Anlage in der relativ günstigen Art der Selbstentwässerung (Schwerkraft) der mechanisch und hydraulisch abgeschalteten Stufe.

Die Erfindung ist im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der beiliegenden Zeichnung, deren einzige Figur einen Längsschnitt darstellt, erläutert.

Auf einer gemeinsamen vertikalen Welle 1 sind Laufräder 2, 3 und 4 übereinander angeordnet, wobei die Laufräder 2 und 3 in einem aus zwei gegenseitig versetzten Spiralen bestehenden Gehäuse 5 angeordnet sind. Die beiden Spiralen sind durch eine Labyrinthdichtung getrennt. Das Laufrad 4 ist im Abstand oberhalb des Laufrades 3 in einem eigenen Gehäuse 7 angeordnet, wobei sich zwischen den Gehäusen ein Leitring 6 befindet, der mit einem mit den Umlenkkanälen des Laufrades 4 versehenen Gehäuse 7 verbunden ist. Das Laufrad 2 ist auf der Unterseite mit einem Abschlussring 8 abgeschlossen, welch letzterer mit dem Saugrohrstutzen 9 verbunden ist und dessen Mittelbereich als ein das untere Führungslager 10 der Welle 1 tragendes Element ausgebildet ist. Das Laufrad 4 ist analog von oben mit einem Abschlussring 11, der einerseits mit dem Gehäuse 7 und andererseits mit dem das Führungslager 13 der Welle 1 tragenden Krümmer 12 verbunden ist, abgeschlossen.

Im Gehäuse 5 sind im Einflussbereich seiner unteren Spirale für das Laufrad 2 feste Leitschaufeln 14 angeordnet, die zusammen mit den ober- und unterhalb der Leitschaufeln 14 befindlichen Wänden des Gehäuses 5 parallel zur Welle 1 durchbohrt sind, wobei in diesen Bohrungen Wellen 15 gelagert sind, die die obere Spirale durchqueren und dort in die Leitschaufeln 16 für das Laufrad 3 eingeschoben sind. Dabei sind die Wellen 15 und die Leitschaufeln 16 jeweils derart miteinander verbunden, dass die Schaufeln 16 in Abhängigkeit von den Steuerbewegungen des Reguliersystems 17, das unterhalb des Abschlussringes 8 bzw. des Gehäuses 5 angeordnet ist, verstellt werden können. Analog ist auch der obere Abschlussring 11 durchbohrt und darin sind Wellen 13 gelagert, die die Steuerbewegungen vom Reguliersystem 19 den Leitschaufeln 20 zur Beaufschlagung des Laufrades 4 übertragen.

Das Laufrad 2 ist beim gezeigten Ausführungsbeispiel mit der Welle 1 direkt verbunden. Es ist aber möglich, an der Stelle 21 eine Freilaufkupplung vorzusehen, während die Laufräder 3 und 4 mit der Welle 1 in jedem Fall drehfest verbunden sind.

Die Pumpenturbine weist zwischen der Rohrleitung 22, die beim Pumpen- als auch beim Turbinenbetrieb als Saugrohrleitung dient, und der Rohrleitung 23, die in beiden Fällen als Hochdruckleitung dient, noch zwei Rohrleitungen 24 bzw. 26 und zwei Klappen 27 bzw. 28 auf. Über die Leitung 24 steht die Saugrohrleitung 22 mit dem Saugrohrstutzen 9 in Verbindung, wobei diese Leitung 24 nur beim Pumpenbetrieb s

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gebraucht wird. Beim Turbinenbetrieb wird dagegen das in der Leitung 24 befindliche Wasser durch die Leitung 25 abgelassen, während über die Leitung 26 die erste und die zweite Pumpenstufe in Verbindung stehen, wobei die Strömungsrichtung des Wassers, wie aus der folgenden Beschreibung ersieht- s lieh ist, mittels der Klappen 27 und 28 umkehrbar ist. Die Klappe 28 ist zusätzlich mit Leitblechen 29 versehen.

Pumpenbetrieb: Die Strömungsrichtung des Wassers ist in der Zeichnung im Falle der als Pumpe laufenden Maschine mit voll ausgezogenen Pfeilen bezeichnet. Das Wasser strömt io durch die Leitung 22 und wird von der gemäss der Zeichnung aufgestellten Klappe 27 umgelenkt, danach gelangt es durch die Leitung 24 und den Saugrohrstutzen 9 zu der Niederdruck-Pumpenstufe, dann wird das Wasser vom Laufrad 2 durch den mit festen Leitschaufeln 14 versehenen Leitring und die untere is Spirale des Gehäuses 5 in die Leitung 26 und längs der gemäss der Zeichnung aufgestellten Klappe 28 und durch den Saugkrümmer 12 in die zweite Pumpenstufe gefördert, von wo es vom Laufrad 4 durch die verstellbaren Leitschaufeln 20 und den Leitring 6 in die dritte, d.h. die Hochdruck-Pumpenstufe, 20 und dann vom Laufrad 3 durch den mit verstellbaren Leitschaufeln 16 versehenen Leitring und durch die obere Spirale des Gehäuses 5 in die Druckleitung 23 gefördert wird.

Turbinenbetrieb: Die Strömungsrichtung des Wassers ist in der Zeichnung im Fall der als Turbine laufenden Maschine mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet. Die Klappen 27 und 28 werden für den Turbinenbetrieb in die liegende Stellung geschwenkt, um die Leitungen 24 und 26 abzuschliessen, und gleichzeitig wird das in der Leitung 25 vorgesehene Ventil geöffnet, damit das Wasser aus der Leitung 24 abfliesst. Dadurch ist die erste Pumpenstufe hydraulisch abgeschaltet. Die Drehrichtung der Welle ist in diesem Falle umgekehrt als beim Pumpenbetrieb, wobei das Laufrad 2, falls an der Stelle 21 eine Freilauf-Kupplung angebracht ist, auch mechanisch abschaltbar ist. Das Wasser strömt durch die Hochdruckleitung 23, durch die obere Spirale des Gehäuses 5 und den mit verstellbaren Leitschaufeln 16 versehenen Leitring dem Laufrad 3 zu, von diesem strömt es dann durch den Leitring 6 und das Gehäuse 7 sowie durch den mit den verstellbaren Leitschaufeln 20 versehenen Leitring in das Laufrad 4, aus welchem es in den Saugkrümmer 12 und weiter in die Saugleitung 22 abfliesst.

1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

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2. 2. Pumpenturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laufrad (2) über eine Freilaufkupplung (21) mit der Welle (1) verbunden ist.

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   PATENTANSPRÜCHE 1. Radial-Pumpenturbine mit einer Welle (1), auf der ein erstes Laufrad (2) neben einem zweiten Laufrad (3) und ein drittes Laufrad (4) angeordnet ist, wobei der Arbeitsraum des ersten Laufrades (2) von dem des zweiten Laufrades (3) getrennt ist und das erste Laufrad (2) gegensinnig gerichtet zum zweiten Laufrad (3) angeordnet ist, wobei das dritte Laufrad (4), dem verstellbare Leitschaufeln (20) zugeordnet sind, in einem eigenen, mit Umlenkkanälen und einem sich in den Rotorbereich erstreckenden Leitring (6) versehenen Gehäuse (7) im Abstand vom benachbarten zweiten Laufrad (3) und zu diesem zweiten Laufrad (3) gleichsinnig gerichtet angeordnet ist, wobei das erste Laufrad (2) der ersten Pumpenstufe zugeordnet ist, die im Turbinenbetrieb vom Wasser absperrbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Laufrad (2) und das zweite, der dritten Pumpenstufe zugeordnete Laufrad (3) in einem aus zwei gegenseitig versetzten Spiralen bestehenden zweiten Gehäuse (5) angeordnet sind, dass für den Pumpenbetrieb vorgesehene Leitungen (24,26) im Turbinenbetrieb mittels Klappen (27, 28) absperrbar sind, und dass dem zweiten Laufrad (3) zugeordnete, verstellbare Leitschaufeln (16) auf Stellwellen (15) angebracht sind, die in Bohrungen eingesetzt sind, die feste, dem ersten Laufrad (2) zugeordnete Leitschaufeln (14) durchsetzen.
3. 3. Pumpenturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Leitungen (24) ausserhalb der Gehäuse (5, 7) verläuft und mindestens eine der Klappen (28) mit Leitrippen (29) versehen ist.