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Strömungsmaschine
Die Erfindung betrifft eine als Pumpe und als Turbine betreibbare mehrstufige Strömungsmaschine.
Hydraulische Maschinen dieser Art werden beispielsweise in Wasserkraftanlagen dazu verwendet, einer-
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zu fördern und anderseits im Turbinenbetrieb mit Hilfe von dem Speicherbecken entnommenem Wasser bei Strommangel Energie zu erzeugen. Hiezu ist die Strömungsmaschine vorzugsweise mit einer elektrischen Maschine gekuppelt, welche im Pumpbetrieb als Motor und im Turbinenbetrieb als Generator wirken kann.
Es liegt in der Natur solcher Strömungsmaschinen, dass bisher die bestmögliche Ausnützung der Maschine höchstens für die eine der beiden Betriebsarten erreicht werden konnte. Wird die Maschine mit einem optimalen Wirkungsgrad als Pumpe ausgelegt, so ergibt sich für den Turbinenbetrieb ein schlechterer Wirkungsgrad als erreicht werden könnte, wenn die Konstruktionsdaten und Kenngrössen der Maschine allein für einen möglichst guten Turbinenwirkungsgrad gewählt würden. Umgekehrt resultiert bei Auslegung der Maschine im Sinne eines möglichst guten Turbinenwirkungsgrades ein verschlechterter Wirkungsgrad im Pumpbetr'eb.
Weitere Nachteile bisher üblicher Maschinen der geschilderten Art bilden die ungenügende Möglichkeit einer Laständerung im Turbinenbetrieb, weiter der verhältnismässig starke Abfall des Wirkungsgrades selbst bei nur kleiner Mengenänderung, weiter die ungenügende Änderungsmöglichkeit der Druckhöhe im Pumpbetrieb ohne Auftreten von Kavitationserscheinungen, vorwiegend in der ersten Stufe bei kleiner Druckhöhe.
Die Erfindung ermöglicht die geschilderten Nachteile weitgehend auszuschalten. Sie Ist dadurch gekennzeichnet, dass-für den Betrieb als Pumpe betrachtet-die letzte Stufe der Maschine mit verstellbaren Laufschaufeln ausgerüstet ist.
Das erfindungsgemässe Merkmal ermöglicht, sowohl im Turbinenbetrieb wie im Pumpbetrieb durch entsprechende Einstellung der verstellbaren Laufschaufeln die Strömungsmaschine den jeweiligen Betriebs- Verhältnissen derart anzupassen, dass ein erheblich verbesserter Wirkungsgrad erzielt wird, ganz besonders im Turbinenbetrieb bei reduzierter Durchströmmenge. Besonders wertvoll erweist sich ferner im Turbinenbetrieb die Möglichkeit, bei konstanter Druckhöhe ohne wesentliche Wirkungsgradverschlechterung eine Mengenvariation herbeizuführen, womit ein grösserer Regelbereich der Last erhalten wird. Im Pumpbetrieb erlaubt die Erfindung bei gleichbleibender Druckhöhe eine bedeutend grössere Mengenvariation.
Besteht bei konstanter Druckhöhe ferner die Gefahr, dass im Pumpbetrieb in der ersten Stufe Kavitation auftritt, z. B. bei stark abgesunkenem Spiegel des Speicherbeckens, genügt ein Verstellen der Laufschaufeln im Sinne suier Sehliessbwegung, um den Betriebspunkt in einen kavitationssicheren Bereich zu verlagern.
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sein.lich, dem Laufrad mit verstellbaren Laufschaufeln eine kleinere Schaufelzahl als Laufrädern mit nicht verstellbare Laufschaufeln zuzuordnen.
Die Erfindung und weitere mit ihr zusammenhängende Merkmale sind nachstehend an Hand des in der Zeichnung dargestellten AusHlhr,'l1gsbeispiels näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt eine zweistufige halbaxiale Strömungsmaschine der eingangs geschilderten Art für eine Wasserkraftanlage. Die Maschine kann unter Umkehrung der Strömungsrichtung des Arbeitsmittels wahlweise als Pumpe oder als Turbine betrieben werden.
Das Gehäuse 1 ist aus mehreren Teilen zusammengesetzt ; seine Innenseite dient zur Führung der Ar- beitsmittelströmung. Im Pumpbetrieb strömt das Wasser durch den Einlaufstutzen 2 in Richtung des Pfeiles
3 in die Maschine, hierauf nacheinander durch die mit Laufschaufeln 4 bzw. 5 versehenen Laufräder der beiden Stufen und in das Spiralgehäuse 6, aus welchem das Wasser durch einen nicht gezeichneten Stutzen austritt. Zur Versteifung des Gehäuses und zur Strömungslenkung sind im Strömungsabschnitt zwischen den beiden Laufrädern Leitschaufeln 9 und im Strömungsabschnitt hinter dem Laufrad der zweiten Stufe Leit- schaufeln 10 vorgesehen.
Die Rotorbaugruppe umfasst die miteiner nicht gezeichneten, als Motor bzw. als Generator wirkenden
Maschine gekuppelte Hohlwelle 11, weiter die hohl ausgebildete und die Laufschaufeln 5 tragende Nabe
12, ferner die mit letzterer fest verbundene Welle 13 und das die Laufschaufeln 4 tragende Laufrad 14.
Die Hohlwelle 11 ist im ölgeschmierten Lager 15 und die Welle 13 im wassergeschmierten und eine
Gummilauffläche aufweisenden Lager 16 gehalten. Zwischen dem Gehäuse 6 einerseits und Hohlwelle 11 und Nabe 12 anderseits befindet sich eine Spaltdichtung 17.
Erfindungsgemäss sind-für den Betrieb der Maschine als Pumpe betrachtet-die Laufschaufeln 5 der letzten Stufe verstellbar ausgebildet. Zu diesem Zweck sind die Schaufelzapfen 18 in Lagern 19 drehbar gehalten und an jedem Schaufelzapfen ist je ein Kegelrad 20 befestigt, das in Eingriff mit dem Kegelrad
21steht. Dieses sitzt auf der Spindel 22, welche durch die Hohlwelle 11 nach aussen geführt ist. Die Spin- del 22 kann sich im Lager 23 drehen und ist ferner in Achsrichtung auf dem als Kugellager ausgebildeten
Stirnlager 24 abgestützt. Die geschilderte Anordnung ermöglicht durch Drehen der Spindel 22 den An- stellwinkel der Laufschaufeln 5 zu verstellen.
Der Anstellwinkel, d. h. der Winkel zwischen Umfangrich- tungdes Laufrades und der Schaufelsehne, beträgt beispielsweise im Normalbetrieb 180 und kann durch die geschilderte Verstelleinrichtung innerhalb eines Bereiches von + 150 und - 150 entsprechend dem jeweils günstigsten Arbeitspunkt verstellt werden. Auf der Spindel kann ein nicht gezeichnetes Handrad vorgesehen sein. Beim gezeichneten Ausführungsbeispiel sind vier verstellbare Laufschaufeln 5 über den Umfang des Laufrades der zweiten Stufe verteilt.
Die Maschine wird mit senkrecht stehender Welle und unten liegendem Stutzen 2 montiert. Sie fördert aannim Betrieb als Pumpe über das Spiralgehäuse 6 und die an den Austrittsstutzen anschliessende Druckleitung Wasser in ein höher gelegenes Speicherbecken. Im Turbinenbetrieb strömt Wasser aus dem Spei- cherbecken durch die Druckleitung in das Spiralgehäuse und in Richtung des Pfeiles 25 durch die Maschine.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Sie kann auch für Strömungsmaschinen mit axialem Durchfluss des Arbeitsmittels angewendet werden, ferner auch dann, wenn als Arbeitsmittel keine Flüssigkeit, sondern ein Gas oder ein Dampf vorliegt, beispielsweise im Falle einer Rekuperationsturbine einer Verdichteranlage, bei welcher die Rekuperationsturbine zu gewissen Be- triebszeiten als Verdichter arbeiten kann. Es ist auch denkbar, - für den Pumpbetrieb betrachtet-auch die zweitletzte Stufe mit verstellbaren Laufschaufeln auszurüsten. Schliesslich empfiehlt es sich auch, die Laufräder mit verstellbaren Schaufeln mit kleineren Schaufelzahlen zu versehen als Laufräder mit nicht verstellbaren Laufschaufeln.
PA TENT ANSPRÜCHE :
1. Als Pumpe und als Turbine betreibbare mehrstufige Strömungsmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass-für den Betrieb als Pumpe betrachtet-die letzte Stufe der Maschine mit verstellbaren Laufschaufeln ausgerüstet ist.
2. StrömungsmaschinenachAnspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass sie als halbaxiale Strömungsmaschine ausgebildet ist.
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