SE509378C2 - Vattenkraftmaskin - Google Patents

Description

15 20 25 30 55 509 378 _ 2 _ Uppfinningen förklaras närmare i det följande med hän- visning till de bifogade schematiska ritningarna som visar ett exempel pà en utföringsform. ett kraftverk med två i enlighet med uppfinningen utförda vatten- Fig. 1 visar schematiskt, delvis i vertikalt snitt, kraftmaskiner som är placerade sida vid sida och anslutna till en gemensam effektuttagsanordning; Fig. 2 är en schematisk vy uppifrån av kraftverket i Fig. 1; Fig. 3 och 4 visar i större skala den ena vattenkraft- maskinen i Fig. 1 i tvâ olika faser av en arbetscykel.

Fig. 5 och 6 visar en modifierad utföringsform i fram- ställningar svarande mot Fig. 3 och 4; Fig. 7 och 8 visar ytterligare en utföringsform, näm- ligen en dubbelverkande vattenkraftkraftmaskin, som frånsett att den är dubbelverkande i huvudsak motsvarar utförings- formen i Fig. 5 och 6.

Det i fig. 1-4 schematiskt visade vattenkraftverket ut- görs av två lika, i mottakt arbetande vattenkraftmaskiner 11A och 11B och en för dessa gemensam effektuttagsanordning 12, som är kopplad till vattenkraftmaskinerna via hydrostatiska transmissioner med dubbelverkande hydrauliska cylindrar och förbindelseledningar mellan dessa.

Ett för båda maskinerna 11A och 11B gemensamt fundament 13, som med fördel är utfört i betong åtminstone till huvud- saklig del, bildar för varje maskin en i stort sett cirkulär- cylindrisk, stående vattenkammare 14 med ett perifert vatten- inlopp 15 och ett likaså perifert vattenutlopp 16. Central- axellinjen för vattenkammaren 14 är betecknad med L.

Vatteninloppet 15 ligger i detta fall vid den övre delen av vattenkammaren 14 medan vattenutloppet 16 ligger vid den undre delen. Både Vatteninloppet 15 och vattenutloppet 16 är så utförda att de är öppna mot vattenkammarens periferi över en mycket stor del av eller hela omkretsen på vattenkammaren, och de har avsevärd höjd för att uppvisa ett mycket stort genomströmningstvärsnitt.

Nivån på det till kraftverket strömmande vattnet, som kan vara ex.vis vatten från ett vattendrag eller tidvatten, 10 15 20 25 30 35 509 378 _ 3 _ förutsätts ligga högre än översta delen av vatteninloppet 15, och vattenutloppet 16 är så anordnat att vattnet i vattenkam- maren 14 kan strömma ut utan att möta något stort strömnings- motstånd när vattenutloppet är öppet. _ Å Mitt över vattenkammaren 14 finns en med denna koncent- risk stående cylinder 17 av stàlplåt och en kolv 18, som är axiellt rörlig i cylindern mellan ett undre läge ungefär i höjd med vatteninloppet 15 och ett övre läge. I Fig. det undre läget för kolven i maskinen 11A, medan det övre läget visas för kolven i maskinen 11B. Kolven 18 har en bot- tenplatta 18A, ex.vis av betong, och en kring dennas periferi anordnad hög krage 18B.

Kolven 18 är förenad med kolvstängerna i ett flertal, 1 visas ex.vis tre ovanförliggande dubbelverkande hydrauliska cylind- rar 19, vilkas kolvar därigenom förskjuts upp och ned i takt med kolvens rörelser. Dessa cylindrar 19 utgör en del av effektuttagsanordningen 12, medelst vilken nyttig effekt ut- vinns på ett nedan närmare beskrivet sätt.

För reglering av vatteninströmningen från vatteninloppet 15 till vattenkammaren 14 finns en inloppsventil 20 med ett ventilelement 21 i form av en med cylindern 17 koncentrisk ring av stålplát. För manövrering av ventilelementet finns ett flertal, ex.vis tre, dubbelverkande hydrauliska cylindrar 22 med tillhörande kolvstänger. Medelst dessa cylindrar kan ventilelementet 21 förskjutas vertikalt mellan ett övre, öppet läge (visat för den vänstra maskinen 11A i Fig. 1) i vilket inloppet 15 är helt öppet, så att väsentligen obe- hindrad vatteninströmning till vattenkammaren 14 är möjlig, och ett undre, stängt läge (visat för den högra maskinen 13B i vilket inloppet 15 är blockerat, så att väsent- i Fig. 1), ligen all vatteninströmning i vattenkammaren förhindras.

På motsvarande sätt finns för reglering av vattenut- strömningen från vattenkammaren 14 genom vattenutloppet 16 en utloppsventil 23 med ett ventilelement 24 i form av en med cylindern 17 koncentrisk ring av stålplát. Denna ring är fast förenad med cylindern 17 under förmedling av stänger eller stavar 25 eller andra förbindningsorgan som bildar eller upp- visar genomströmningsöppningar för vatten som kommer från in- 10 15 20 25 30 35 589 578 _ 4 _ loppet 15. Ventilelementet 24 har i huvudsak samma diameter som cylindern 17 och ligger således i förlängningen av denna nedåt och ett litet stycke radiellt innanför inloppsventil- elementet 21.

För manövrering av utloppsventilelementet 24 finns ett antal, ex.vis tre, dubbelverkande hydrauliska cylindrar 26, vilkas kolvstänger är anslutna till cylindern 17. Medelst dessa cylindrar kan cylindern 17 och därmed ventilelementet 24 förskjutas vertikalt mellan ett övre, öppet läge (visat för den högra maskinen 13B i Fig. 1) i vilket vattenutloppet 16 är helt öppet, så att fri vattenutströmning från vatten- kammaren 14 är möjlig, och ett undre, stängt läge (visat i för maskinen 13A i Fig. 1), i vilket utloppet 16 är bloc- kerat, så att i huvudsak all vattenutströmning fràn vatten- kammaren förhindras.

Som framgår tydligast av Fig. 3 och 4 styrs inloppsven- tilelementet 21 av dels en styrning 26 pà fundamentet 1 ome- delbart ovanför inloppet 15, dels en styrning pà den undre delen av ett omgivande, fràn fundamentet 1 uppstående yttre stöd 27. Den innanförliggande cylindern 17 styrs av dels in- sidan pà ventilelementet 21, dels en styrning 28 på den övre delen av stödet 27. Ventilelementet 24 styrs mot vattenkamma- rens 14 vägg mellan inloppet 15 och utloppet och, via stavar- na eller stängerna 25 och cylindern 17, insidan pá ventilele- mentet 21. Kolven 18 slutligen styrs mot insidan på cylindern 17 av en styrning 29, som är anordnad ett stycke ovanför kol- vens bottenplatta 18A.

Att märka är att vatteninloppet inte nödvändigtvis mäste ligga högre än vattenutloppet såsom är markerat på ritningar- na, utan det kan mycket väl ligga lägre än detta. Företrädes- vis ligger de dock på i huvudsak vertikalt mitt för varandra.

I praktiken ställs inga höga krav på avtätningen mellan de olika styrningarna och de delar med vilka dessa samverkar.

Ett visst ständigt läckage förbi styrningarna medför inga större lägenheter och kan utan vidare godtas. Detta innebär att de olika delarna inte behöver tillverkas med stor mått- noggrannhet eller passa väl mot varandra. Skulle emellertid en i huvudsak fullständig frihet från läckage önskas, kan 10 15 20 25 30 35 509 578 _ 5 _ bälgar, rullmembran och andra lämpliga tàtningselement anord- nas för att åstadkomma täthet. I sådant fall kan det bli nöd- vändigt att även anordna utluftningsorgan.

Som likaså framgår tydligast av Fig. 3 och 4 kan monte- ringen av ventilelementen 21 och 24, cylindern 17 och kolven 18 ske på enkelt sätt sedan fundamentet 13 färdigställts.

Till att börja med monteras den undre delen av stödet 27, varefter ventilelementet 21 sätts på plats. Därefter monteras den övre delen av stödet 27 och cylindern 17 med ventilele- mentet 24 anbringas. Slutligen sätts kolven 18 in i cylindern 17 och de olika delarna förbinds med kolvstängerna i cylin- drarna 19, 22 och 26. Nedmontering kan ske på motsvarande enkla sätt.

Effektuttagsanordningen 12 innefattar en vevaxel 30 med ett svänghjul 31, en generator eller annan belastning, och två vevslängar 32, 33 samt fyra kammar 34-37. Vevslängarna och kammmarna är kopplade till var sin av sex dubbelverkande hydrauliska cylindrar 38-43. Av dessa är cylindrarna 38 och 39 via ledningar 44, 45 sammankopplade med cylindrarna 19 i maskinen 11A resp. cylindrarna 19 i maskinen 11B för att driva vevaxeln 30 via de 180° vinkelförskjutna vevslängarna 32 resp. 33.

De fyra övriga cylindrarna 40-43 är via ledningar 46-49 anslutna till ventilmanövercylindrarna 22 och 26 på det sätt som framgår av Fig. 1 för att förskjuta ventilelementen 21 och 24 i takt med rörelserna hos kolven 18 i maskinerna 11A och 11B.

Arbetssâttet för det visade kraftverket är följande.

I det i Fig. 1 visade utgångsläget befinner sig i maski- nen 11A kolven 18 i sitt undre ândlâge, och inloppsventilele- mentet 21 har just öppnat vatteninloppet 15 så att vatten kan strömma in i vattenkammaren 14, medan utloppsventilelementet 24 just har stängt utloppet 16. omvända, dvs. kolven 18 befinner sig i sitt övre ändlâge inloppsventilelementet 21 har just stängt inloppet 15 för förhindra fortsatt vatteninströmning till vattenkammaren medan utloppsventilelementet 24 just har öppnat utloppet så att vatten kan strömma ut ur vattenkammaren.

I maskinen 11B är situationen den och att 14, 16, 10 15 20 25 30 35 509 578 _ 5 _ I maskinen 11A driver det inströmmande vattnet kolven 18 uppåt varvid maskinens cylindrar 19 via cylindern 38 i anord- ningen 12 driver vevaxeln 30 i en bestämd riktning. I maski- nen 11B rör sig kolven 11 under inverkan av sin egen tyngd nedåt, och maskinens cylindrar 19 driver via cylindern 39 vevaxeln 30 i samma riktning.

När kolven 18 i maskinen 11A når sitt övre ändläge på- verkar kammen 37 sin cylinder 43, så att denna via cylind- rarna 22 i maskinen för inloppsventilelementet 21 nedåt till stängt läge, medan kammen 36 påverkar sin cylinder 42, så att denna via cylindrarna 26 i maskinen för utloppsventilelemen- tet 24 uppåt till öppet läge. Maskinen 11A intar därigenom det läge som maskinen 11B befann sig i vid början av det här beskrivna förloppet.

När kolven 18 i maskinen 11B når sitt undre ändläge på- verkar kammen 35 sin cylinder 41, så att denna via cylindrar- na 22 i maskinen för upp inloppsventilelementet 21 till öppet läge, medan kammen 34 påverkar sin cylinder 40, så att denna via cylindrarna 26 i maskinen för ned utloppsventilelementet 24 till stängt läge. Maskinen 11B intar därigenom det läge som maskinen 11A befann sig i vid början av det här beskrivna förloppet. 5 5 Båda maskinerna 11A och 11B genomför sedan den andra delen av den pågående arbetscykeln. För var och en av maski- nerna överensstämmer denna del med den del som redan beskri- vits ovan för den andra maskinen.

Tyngden av kolvarna 18 kan lämpligen avpassas så (ex.vis med barlast), att båda maskinerna lämnar ungefär lika stora bidrag till den kraftimpuls som päförs vevaxeln under varje halva av en arbetscykel.

Det som exempel visade kraftverket har endast två maski- ner, men det ligger naturligtvis inom ramen för uppfinningen att utföra kraftverket med ett större antal maskiner, som då lämpligen arbetar med en mot antalet svarande fasförskjutning i förhållande till varandra. Givetvis är det möjligt, om ock- så inte att föredra, I sådant fall är det särskilt lämpligt att balansera kolven på sådant sätt, att den så nära som möjligt ger lika stor kraftimpuls till att ha endast en maskin. 10 15 20 25 30 35 509 578 _ 7 _ effektuttagsanordningen under den nedåtgående rörelsen som under den uppätgâende.

Det kan vara lämpligt att på uppströmssidan av inlopps- ventilerna anordna en vattenackumulatorkammare som tar upp de tryckfluktuationer på uppströmssidan som annars skulle kunna bli följden av att det sammanlagda vattenflödet in i vatten- kamrarna ej är helt konstant. Detta gäller i synnerhet om kraftverket har endast en eller två maskiner och dessa är anslutna till rörledningar som tillför vatnet. I Fig. 2 är en sådan ackumulatorkammare antydd vid 50 i anslutning till varje maskin 11A och llB. Ackumulatorkammaren kan vara ett utrymme som sträcker sig uppåt från vatteninloppet 15 och står i öppen förbindelse med detta men för övrigt är slutet, så att vatteninströmningen i utrymmet sker mot ett gradvis ökande mottryck orsakat av luftkompressionen i utrymmet.

På ritningarna visas vevaxelanordningen 12 som det enda effektuttagsorganet. Det är dock utan vidare möjligt att låta endast en del av den nyttiga effekten tas ut av anordningen 12. En större eller mindre del kan kontinuerligt eller in- termittent tas ut på annat sätt.

Den visade effektuttagsanordningen 12 utgör en anordning för tvångsmässig synkronisering av inlopps- och utloppsventi- lerna med rörelserna hos det organ, kolven 18, vars rörelser alstrar den nyttiga effekten och kan som sådan även användas även i andra vattenkraftmaskiner av det inledningsvis angivna slaget än maskiner som är utförda i överensstämmelse med upp- finningen. Denna anordning har därför användbarhet oberoende av den uppfinningsenliga kraftmaskinen.

Kammarna 34-37 pä vevaxeln i effektuttagsanordningen kan betraktas som blott och bart ett exempel på positionsgivare för vevaxelläget¿ Givetvis kan dessa positionsgivare utgöras av andra typer av positionsgivare som styr in- och utlopps- ventilerna via ett servosystem av lämplig typ.

Den i Fig. 5 och 6 visade utföringsformen skiljer sig från utföringsformen i Fig. 1-4 genom att inloppsventilele- mentet och utloppsventilelenentet bildas av en och samma med cylindern 17 fast förenade rörformiga del, betecknad med 24A.

Inloppsventilen och utloppsventilen manövreras således i 10 15 20 25 30 35 509 378 _8_ detta fall alltid tvångsmässigt samtidigt, vilket innebär att under en viss tid i varje arbetscykel år både vatteninloppet och vattenutloppet delvis öppna samtidigt med påföljd att en viss mängd vatten går ut genom utloppet utan att bidra till det nyttiga arbetet. En fördel är dock att en separat in- loppsventil med tillhörande manöver- och styrorgan kan undva- ras.

I den i Fig. 7 och 8 visade dubbelverkande kraftmaskinen är vattenkammaren 14 uppdelad på en undre sektion 14A och en övre sektion 14B med cylindern 17 liggande mellan och i öppen förbindelse med dessa sektioner. På motsvarande sätt är vat- teninloppet och vattenutloppet uppdelade på en undre sektion I 16B, gemensamma inlopps- och utloppsventilelementet 24A är upp- delat på en undre sektion 24AA och en övre sektion 23AB.

Som direkt framgår av Fig. 7 och 8 arbetar de två sek- tionerna av maskinen i mottakt, dvs. utföringsformen i Fig. 7 och 8 förenar i en enda maskin två maskiner av det i Fig. 5 15A resp 16A, och en övre sektion 15B resp. och även det och 6 visade utförandet.

Utföringsformen i Fig. 7 och 8 skiljer sig från de före- gående utföringsformerna även genom att kolven 18 med en ihå- lig kolvstång 50 styrs mot en central, fast pelare 51 i stäl- let för att styras vid periferin mot insidan på cylindern 17. en liknande styrning kan även tillämpas för ventilelementen.

Olika rörliga delar i kraftmaskinen enligt uppfinningen, ex. vis de kanter på ventilelementen som är avsedda att täta mot fundamentet och vidare kolvens periferikant kan förses med elastiska läppar eller liknande som lätt anpassar sig efter ojämnheter i de delar med vilka de samverkar eller efter föremål, såsom stenar, träbitar osv., som kommer in i maskinen med det genomströmmande vattnet. Vidare är det lätt att förse vattenkammaren med ett ljusinsläpp, ex.vis i kolven eller i fundamentet, och ett sådant skulle vara önskvärt.

Kraftmaskinen enligt uppfinningen kan uppställas fritt i omgivande vatten på sådant sätt att vattnet kan strömma in i inloppet från alla håll och likaså strömma ut ur utloppet åt alla håll, dvs. så att både inloppet och utloppet är "expone- rade" mot det omgivande vattnet åt alla håll.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 509 378 Patentkrav

1. Vattenkraftmaskin med en cylinder (17), en i cylindern fram och åter rörlig kolv (18), (14) uppvisar en centralaxellinje (L) och har ett vatteninlopp en med cylindern kommunicerande vattenkammare som (15) och ett vattenutlopp (16), varvid vatteninloppet och vattenutloppet båda är anordnade kring centralaxellinjen och öppna mot vattenkammaren över åtminstone större delen av den- nas omkrets, och till vatteninloppet och vattenutloppet hörande ventilor- gan (20, 23) för reglering av vatteninströmning till och vat- tenutströmning ur vattenkammaren, kännetecknad av att vatteninloppet (15) och vattenutloppet (16) är anordnade på avstånd från varandra i centralaxellinjens (L) riktning.

2. Vattenkraftmaskin enligt patentkrav 1, kännetecknad av att vatteninloppet (15) och vattenutloppet (16) är belägna i olika höjdlägen.

3. Vattenkraftmaskin enligt patentkrav 1 eller 2, kännetecknad av att vatteninloppet (15) och vattenutloppet (16) ligger i huvudsak vertikalt mitt för varandra.

4. Vattenkraftmaskin enligt patentkrav 2 eller 3, kännetecknad av att vatteninloppet (15) ligger högre än vattenutloppet (16).

5. Vattenkraftmaskin enligt något av patentkrav 1-4, kännetecknad av att ventilorganen innefattar ett inloppsven- (24), är rörformiga och koncentriska med (21) och ett utloppsventilelement vilka (21, 24) varandra och med cylindern (17) och axiellt rörliga mellan tilelement ventilelement ett stängt och ett öppet läge.

6. Vattenkraftmaskin enligt patentkrav 5, kånnetecknad av att det ena ventilelementet, ex.vis utloppsventilelementet (24) är förenat med en cylindern bildande rörformig del (17), som är axiellt rörlig tillsammans med ventilelementet och att (15) genom passager mellan nämnda rörformiga del och det nämnda (24). vatteninloppet kommunicerar med vattenkammaren (14) ena ventilelementet 10 15 20 25 509 378 _10-

7. Vattenkraftmaskin enligt patentkrav 6, kännetecknad av det andra ventilelementet, ex.vis inloppsventilelementet (17).

8. Vattenkraftmaskin enligt patentkrav 6, kännetecknad (21) omger nämnda rörformiga del av att även det andra ventilelementet (21) är förenat med den cylindern bildande rörformiga delen (17) och axiellt rörlig tillsammans med denna och med det nämnda ena ventilelementet (24).

9. Vattenkraftmaskin enligt något av föregående pa- (14) kommunicerande vatten- tentkrav, kännetecknad av att vattenkammaren innefattar (17) tillordnade var sin två med var sin ände av cylindern kammaravdelningar (l4A, 14B), som är sektion (15A, 15B) 16B) av vattenutloppet, varvid vatteninloppssektionen och vattenutloppssektionen för varje av vatteninloppet och var sin sektion vattenkammaravdelning är anordnade pà avstånd från varandra i centralaxellinjens (L) riktning.

10. Vattenkraftmaskin enligt något av föregående pa- tentkrav, vid vilken kolven (18) är förbunden med en driven effektuttagsanordning (12), kånnetecknad av att effektuttags- anordningen innefattar en av kolven (18) via en första hy- (l9,38,39,44,45) (30), som är kopplad till manöverorgan (22, 26) för ventilorganen (29, 49). drostatisk transmission driven vevaxel 23) via en andra hydrostatisk transmission (40-43, 46-