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Einrichtung zur Verbesserung des Betriebes von Absperrklappen in Saugleitungen von Pumpen und Turbinen
Kreiselpumpen haben bekanntlich die Eigenschaft, dass sie die Förderung stets nur dann aufnehmen, wenn zumindest die Saugleitung völlig mit Wasser gefüllt ist. Um sicherzustellen, dass die Saugleitung bei einem vorübergehenden Abschalten der Pumpe oder auch etwa bei einem plötzlichen Ausfall des Pumpenantriebes gefüllt bleibt und die Pumpe bei Wiederaufnahme des Pumpenbetriebes bzw. nach Beseitigung der Störung die ungehinderte Förderung sofort wieder aufnehmen kann, werden in die Saugleitung von Pumpen häufig Absperrklappen eingebaut.
Die Anordnung erfolgt dabei im allgemeinen so, dass die etwa in Höhe der Decke eines mehr oder weniger horizontal verlaufenden Teiles der Saugleitung schwenkbar gelagerte Absperrklappe bei fördernder Pumpe in Richtung zur Pumpe hin aus dem Saugleitungsquerschnitt herausgeschwenkt, also geöffnet ist und etwa in der Offenlage gehalten wird, und dass sie bei Aussetzen der Förderung selbsttätig schliesst oder auch willkürlich geschlossen wird, also die Saugleitung absperrt
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Gefahr, dass die Klappe durch das zurückfliessende Wasser mit erheblicher Wucht zugeschlagen wird. Dies kann infolge der Massenwirkung des Wassers beträchtliche Druckstösse in den Leitungen zur Folge haben, die in krassen Fällen zu Beschädigungen der Leitung oder auch der Klappe führen können.
Auch m den Sauglenungen von Turbinen werden häufig Absperrklappen eingebaut. Die Anordnung erfolgt hier so, dass die Klappe bei normalem Betrieb der Anlage gegen das Unterwasser hin aus dem Saugleitungsquerschnitt herausgeschwenkt, also in Offenstellung ist und in dieser etwa gehalten wird, und dass sie sich bei einer Unterbrechung der Strömung selbsttätig schliesst oder aber willkürlich geschlossen wird. Das Absperren der Saugleitung gegen das Unterwasser mittels der Absperrklappe bezweckt hier, das Eindringen des Unterwassers in die Saugleitung zu verhindern, etwa dann, wenn beim Übergang vom normalen Turbinenbetrieb zum sogenannten"Phasenschieberbetrieb"das Laufrad belüftet und dabei die Saugleitung teilweise entleert werden muss.
Sowohl dem schnellen und rechtzeitigen Schliessen von Absperrklappen in der Saugleitung von Pumpen als auch dem rechtzeitigen Öffnen von Absperrklappen in der Saugleitung von Turbinen standen bisher Hindernisse entgegen, für die man keine rechte Erklärung hatte. Die Erfinder haben nun erkannt, dass diese Hindernisse in beiden Fällen auf eine Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten der Absperrklappe zurückzuführen sind, welche durch Rotation des Wassers in der Saugleitung verursacht wird. Diese Erkenntnis wurde durch eingehende Versuche bestätigt.
So haben die Erfinder beispielsweise herausgefunden, dass, wenn bei einer Pumpe oder Turbine die Leitung vor und hinter der geschlossenen Klappe mit Wasser gefüllt ist und das Laufrad etwa durch den als Motor arbeitenden Generator im Wasser mitgeschleppt wird, dass dann durch das Rotieren des Laufrades das Wasser in der Saugleitung zwischen der Absperrklappe und der Pumpe bzw. Turbine in Rotation versetzt wird. Diese Rotation des Wassers hat eine paraboloide Verteilung des Wasserdruckes auf die laufradseitige Klappenfläche zur Folge, u. zw. derart, dass der auf die Klappe wirkende Wasserdruck im Bereich der Saugrohrwandung am grössten ist und dass er zur Mitte der Klappenfläche hin abnimmt.
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Werden, wie das üblich ist, die Räume vor und hinter der Klappe durch eine an die Saugleitungswandung angeschlossene Druckausgleichsleitung miteinander verbunden, so erreicht man damit zwar, dass die Wasserdrücke im Bereich der Wandung der Saugleitung vor und hinter der Klappe gleich gross sind ; einen Ausgleich des Druckes über den ganzen Saugleitungsquerschnitt hinweg erzielt man damit jedoch nicht. Wie sich aus der Fig. 1, wo die Druckverteilung für den Fall der Anordnung einer solchen Ausgleichsleitung in einem Beispiel gezeigt ist, eindeutig ersehen lässt, herrscht nämlich infolge der Rotation des Wassers auf der Laufradseite der Klappe ein mit zunehmendem Abstand von der Rohrwandung zur Rohrmitte hin kleiner werdender Druck.
Dadurch ist die vom Wasser auf die unterwasserseitige Klappenfläche ausgeübte Kraft grösser als die vom Wasser auf die laufradseitige Klappenfläche ausgeübte Kraft.
Die Klappe kann somit trotz der im Bereich der Saugleitungswandung vorhandenen Gleichheit des Druckes auf der Unterwasserseite der Klappe pw und des Druckes auf der Laufradseite der Klappe PL nicht schlie- ssen (bei der Pumpe) bzw. nicht öffnen (bei der Turbine) bzw. es ist hiezu eine verhältnismässig grosse Kraft, beispielsweise ein entsprechend dimensionierter motorischer Antrieb erforderlich.
Zwecks Vermeidung dieses Nachteiles, d. h. zwecks Verbesserung des Betriebes von Absperrklappen in der Saugleitung von Pumpen und Turbinen schlägt die Erfindung vor, in dem Saugleitungsabschnitt zwischen der Absperrklappe und dem Laufrad der Pumpe bzw. der Turbine, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe der Absperrklappe, ein die Rotation des Wassers behinderndes Element anzuordnen und/oder an diesen Saugleitungsabschnitt eine die Saugleitung zu beiden Seiten der Klappe miteinander verbindende, im Abstand von der Saugleitungswand in die Saugleitung mündende, willkürlich oder selbsttätig gesteuerte an sich bekannte Druckausgleichsleitung anzuschliessen.
Sowohl durch die entsprechende Anordnung und Ausbildung des die Rotation des Wassers behindernden Elementes als auch durch den Anschluss der Druckausgleichsleitung an eine entsprechende Stelle örtlicher Druckerniedrigung im Abstand von der Sauglei- tungswandung laufradseitig der Klappe hat man es in derhand, dendruckausgleich zwischen den beiden Seiten der Absperrklappe und somit die Schliess- bzw. Offllungsbewegung der Absperrklappe in der gewünschten Weise zu beeinflussen.
In zweckmässiger Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das in der Saugleitung angeordnete rotationsbehindernde Element als einen an sich bekannten Strömungsgleichrichter, wie z. B. sich gitterförmig kreuzende Rippen auszubilden. Gleichgültig an welcher Stelle in der Saugleitung zwischen der Absperrklappe und dem Laufrad der Maschine der Gleichrichter angeordnet wird, kann dadurch eine Rotation des Wassers an der Klappe völlig verhindert werden. Eine weniger vollständige, häufig aber schon ausreichende Wirkung wird dann erzielt, wenn das rotationsbehindernde Element nicht als ein gitterförmiger Gleichrichter sondern als eine einzige oder auch als mehrere vorzugsweise gleichmässig über dem Umfang der Saugleitung verteilt angeordnete radiale Rippen ausgebildet wird.
Die Wirkung der Rippe bzw. ier Rippen kann durch geeignete Wahl ihrer Höhe, die kleiner ist als der Abstand zwischen der Sauglei- nungswand und der Saugleitungsmitte, beeinflusst werden. Um im Normalbetrieb die axiale Strömung des Wassers möglichst-wenig zu behindern empfiehlt es sich, die Rippen so anzuordnen, dass sie genau in lichtung der Saugleitungsachse verlaufen.
Soll der nachteiligen Wirkung der Rotation des Wassers nur auf dem Wege des Druckausgleiches zwi- ; chen den beiden Klappenseiten entgegengewirkt werden, dann wird bei einem kreisrunden Querschnitt ler Saugleitung ein vollständiger Druckausgleich zwischen den beiden Klappenflächen theoretisch z. B. iann erzielt, d. h. der Druck auf die unterwasserseitige Klappenfläche PUW ist dann gleich dem Druck mf die laufradseitige Klappenfläche pL, wenn die Öffnung der Druckausgleichsleitung auf der Laufrad- , eite der Klappe auf einem Radius r 0, 7ra angeordnet wird (Fig. 2). Ein vollständiger Druckaus- gleich ist selbstverständlich aber auch dann möglich, wenn die Saugleitung etwa quadratischen oder anlern Querschnitt aufweist.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung erfolgt die Anordnung der Mündung der Druckaus- ; leichsleitung zweckmässig im Bereich der Längserstreckung der Rippe bzw. einer der Rippen unmittelbar linter dieser, in der Drallrichtung des Wassers gesehen, so dass die Mündung der Druckausgleichsleitung lurch die Rippe gegen die Rotationswirkung des Wassers abgeschirmt ist.
Um einen einwandfreien Betrieb der Absperrklappe zu erzielen kann auch eine diametrale den Saugeitungsquerschnitt in zwei gleiche Hälften unterteilende Rippe vorgesehen werden. Hiebei wird dann die Druckausgleichsleitung so hinter der Rippe angeordnet, dass die Mündung der Druckausgleichsleitung wieler gegen die Rotationswirkung des Wassers abgeschirmt ist. Eine besonders vorteilhafte Lösung ergibt sich lann, wenn die Rippe als Hohlkörper ausgebildet wird und den in die Saugleitung hineinragenden Teil [er Druckausgleichsleitung bildet. Als Mündung der Druckausgleichsleitung dient dabei eine auf der gegen
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die Rotationswirkung des Wassers abgeschirmten Seite an einer geeigneten Stelle im Bereich zwischen der Saugleitungswand und der Saugleitungsmitte in der Rippe angeordnete Öffnung.
Es kann aber auch auf der gegenüberliegenden Seite der Rippe an der gleichen oder an einer andern geeigneten Stelle wenigstens eine weitere Öffnung vorgesehen werden.
Die Erfindung ist in Ausführungsbeispielen in den Fig. 3-5c dargestellt und wird im folgenden an Hand dieser noch näher erläutert. Es zeigen Fig. 3 eine ein der Saugleitung einer Kreiselpumpe angeordnete Absperrklappe mit laufradseitig derselben angeordnetem, die Rotation des Wassers behinderndem Element in einem Axialschnitt, Fig. 4 eine in der Saugleitung einer Turbine angeordnete Absperrklappe mit laufradseitig derselben angeordnetem, die Rotation des Wassers behinderndem Element und innerhalb der Saugleitung mündender Druckausgleichsleitung in einem Axialschnitt, Fig. 4a einen achssenkrechten Schnitt
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mentes.
In Fig. 3 bezeichnet 1 eine Kreiselpumpe, 2 die Saugleitung, 3 das Ansaugbecken und 4 die Druck- leitung. 5 ist die Absperrklappe und 6 ist das hier als Gleichrichter ausgebildete rotationsbehindernde Ele- ment.
Im normalen Betrieb fördert die Pumpe aus dem Ansaugbecken 3 über die Saugleitung 2 in die Druck- leitung 4, wobei die Absperrklappe 5 die gestrichelt eingezeichnete Offenlage einnimmt und etwa mit- tels einer nicht dargestellten Verriegelungsvorrichtung in dieser Stellung festgehalten werden kann. Bei
Aussetzen der Förderung, etwa infolge des plötzlichen unvorhergesehenen Ausfalls des Pumpenantriebes, ändert das Wasser seine Strömungsrichtung, d. h. es fliesst aus der Saugleitung 2 bzw. aus der Drucklei- tung 4 über die Pumpe 1 und die Saugleitung 2 in das Ansaugbecken 3 zurück.
Um zu gewährleisten, dass in einem solchen Falle die Leitung 2 mit Wasser gefüllt bleibt, erfolgt spätestens beim Einsetzen der Rückströmung des Wassers (nach vorheriger Entriegelung der Absperrklappe 5 wenn eine Verriegelung derselben vorgesehen wurde) das Schliessen der Absperrklappe, das durch die vom rückströmenden Wasser auf die laufradseitige Klappenfläche ausgeübte Kraft unterstützt wird.
Der in der Leitung 2 unmittelbar bei der Klappe 5 laufradseitig angeordnete Gleichrichter 6 verhindert, dass die durch die Rotationskomponente des rückströmenden Wassers bedingte paraboloide Verteilung des Wasserdruckes über den Querschnitt der Leitung 2 sich bis zur laufradseitigen Klappenflächen hin erstreckt und die Schliessbewegung behindert, d. h. der Gleichrichter 6 bewirkt, dass die Rückströmung des Wassers im Bereich der Rückschlagklappe völ- lig drallfrei oder doch zumindest in nur geringem Masse drallbehaftet erfolgt und das Wasser somit auf die laufradseitige Klappenfläche einen die Schliessbewegung nicht behindernden über den ganzen Querschnitt hinweg weitgehend ausgeglichenen Druck ausübt.
In den Fig. 4 und 4a sind für die mit der Fig. 2 übereinstimmenden Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. 7 bezeichnet hier eine Turbine. Mit 8 ist das Unterwasser bezeichnet, in welches das Wasser im normalen Betrieb ausströmt. Das rotationsbehindernde Element ist hier als eine in Richtung der Saugleitungsachse verlaufende radiale Rippe 6'ausgebildet, auf deren gegen die Rotationswirkung des Wassers abgeschirmte Seite - wie der in Fig. 4a die Drallrichtung der Strömung angebende Pfeil erkennen lässt - eine die Räume vor und hinter der Klappe 5 miteinander verbindende Druckausgleichsleitung 9 mit ihrer Mündung bis zu einer ungefähr auf dem Radius r = 0, 7. ra liegenden Stelle des Querschnittes der Leitung 2 hineingeführt ist.
Die Druckausgleichsleitung 9 dient hier gleichzeitig auch als Fülleitung. 10 und 10a sind Entleerleitungen. Sowohl die Druckausgleichs- und Fülleitung 9 als auch die Entleerleitung 10 und 10a sind mittels der selbsttätig oder auch von Hand einstellbaren Ventile 11 gesteuert. Zwecks Be- und Entlüftung des Laufrades beim Übergang vom normalen Turbinenbetrieb zum Phasenschieberbetrieb bzw. umgekehrt ist das Be-und Entlüftungsventil 12 vorgesehen.
Im normalen Turbinenbetrieb strömt das Wasser aus derDruckleitung 4 über die Turbine 7 und die Saugleitung 2 in das Unterwasser 8, wobei die Absperrklappe 5 die gestrichelt eingezeichnete Offenstellung einnimmt und etwa mittels einer nicht dargestellten Verriegelungsvorrichtung in dieser Stellung festgehalten ist. Beim Übergang zum Phasenschieberbetrieb, also wenn das Laufrad der Turbine 7 belüftet und die Leitung 2'teilweise entleert werden muss, wird bei geschlossener Leitung 9 die Absperrklappe 5 nach vorheriger Entriegelung geschlossen, um ein Eindringen des Unterwassers 8 in die Saugleitung 2 zu verhindern.
Solange das Laufrad über das Ventil 12 noch nicht genügend belüftet bzw. über die Entleerleitungen 10 und 10a noch nicht genügend entleert ist, wird das in der Saugleitung 2 stehende Wasser durch die Schleppwirkung des umlaufenden Laufrades in Rotation versetzt, was wieder eine paraboloide Verteilung des Wasserdruckes über den Querschnitt der Saugleitung 2 hinweg zur Folge hat. In gleicher Weise wird das in der Saugleitung 2 stehende Wasser durch die Schleppwirkung des umlaufenden Laufrades auch
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in Rotation versetzt und somit eine paraboloide Verteilung des Wasserdruckes in der Saugleitung 2 hervor- gerufen, wenn das Laufrad beim Übergang vom Phasenschieberbetrieb zum normalen Turbinenbetrieb über die Leitung 9 in zunehmendem Masse gefüllt und gleichzeitig ilber das Ventil 12 wieder entlüftet wird.
In beiden Fällen, also sowohl beim Übergang vom normalen Turbinenbetrieb zum Phasenschieberbetrieb als auch beim Übergang vom Phasenschieberbetrieb zum normalen Turbinenbetrieb wird die Rotation des
Wassers durch die unmittelbare laufradseitig der Absperrklappe 5 angeordnete Rippe 6'behindert, so dass die paraboloide Druckverteilung auf der laufradseitigen Klappenfläche etwas abgeschwächt, d. h. die
Druckverteilung über die Klappenfläche hinweg etwas ausgeglichener wird.
Da bei der gezeigten Anordnung eine Rotation des Wassers der Schliessbewegung der Klappe 5 nicht hindernd im Wege steht, kommt der Anordnung der Rippe 6'beim Übergang vom normalen Turbinenbe- trieb zum Phasenschieberbetrieb hier keine besondere Bedeutung zu. Anders dagegen beim Übergang vom
Phasenschieberbetrieb zum normalen Turbinenbetrieb, wo die Klappe 5 gegen den auf die unterwasser- seitige Klappenfläche wirkenden und über den ganzen Klappenquerschnitt hinweg konstanten Druck des
Unterwassers geöffnet werden muss. In vielen Fällen kann hiebei die durch die Rippe 6'bewirkte Ände- rung der Druckverteilung auf der laufradseitigen Klappenfläche schon ausreichen, um ein ungehindertes Öffnen der Klappe 5 zu gewährleisten.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sei angenommen, dass, wenn beim Übergang vom Phasenschieberbetrieb zum normalen Turbinenbetrieb das Laufrad wieder entlüftet wird bzw. die Leitung 2 und das Laufrad der Turbine 7 wieder mit Wasser gefüllt werden, dass dann die Anordnung der Rippe 6'für sich allein noch keine solche Änderung der Druckverteilung auf der laufradseitigen Klappenfläche bewirkt, die das ungehinderte Öffnen der Klappe 5'ermöglicht, sondern erst in Verbindung mit der hier gleichzeitig als Fülleitung dienenden Druckausgleichleitung 9.
Die Mündung der Leitung 9 ist auf einem solchen Radius r < ra in der Saugleitung 2 angeordnet, dass die dadurch bewirkte Erhöhung des Druckniveaus auf der Laufradseite der Klappe in Verbindung mit der durch die Rippe 6'bewirkten Änderung der Druckverteilung auf der laufradseitigen Klappenfläche das ungehinderte Öffnen der Klappe 5 gegen den Druck des Unterwassers 8 auf die andere Klappenfläche sicherstellt.
Die beschriebene Anordnung und Ausbildung der Einrichtung ist nicht nur beim Übergang vom Phasen- schieberbetrieb zum normalen Turbinenbetrieb zweckmässig, sondern auch etwa dann, wenn bei einem aus voneinander getrennter Turbine und Pumpe bestehendem Speicheraggregat vom Pumpenbetrieb zum Turbinenbetrieb übergegangen wird.
In den Fig. 5a-5c sind einige der vielen Ausführungsmöglichkeiten für das die Rotation des Wassers behindernde Element gezeigt. Nach Fig. 5a ist dieses als gitterförmiger Gleichrichter ausgebildet, der in dem einen Teil der Saugleitung 2 bildenden Rohrstück 13 eine Anzahl von rechtwinklig zueinander verlaufenden und miteinander verbundenen Rippen 14 aufweist, während nach Fig. 5b in dem Rohrstuck 13 mehrere radiale Rippen 15 gleichmässig auf den Umfang verteilt angeordnet sind. Die radiale Erstreckung der Rippen beträgt hier etwa 0,25 des Rohrdurchmessers, könnte aber den jeweiligen Erfordernissen entsprechend selbstverständlich auch grösser oder kleiner ausgeführt werden. Zwecks Versteifung könnten die Rippen auch noch untereinander verbunden werden, beispielsweise durch Anordnung eines oder mehrerer zum Rohr konzentrischer Ringe od. dgl.
Die allfällige Anordnung einer Druckausgleichsleitung 9 erfolgt dabei zweckmässig in der angedeuteten Weise, nämlich so, dass sich die Mündung der Druckausgleichsleitung 9 in der Drallrichtung des Wassers (Pfeilrichtung) gesehen hinter einer der Rippen 15 befindet und somit gegen die Rotationswirkung des Wassers abgeschirmt ist. Nach Fig. 5c schliesslich ist das die Rotation des Wassers behindernde Element eine einzige im Rohrstück 13 angeordnete diametrale Rippe 16, die hier in besonders zweckmässiger Ausbildung als Hohlrippe mit einer auf der gegen die Rotationswirkung des Wassers abgeschirmten Seite an geeigneter Stelle angeordneten, die Mündung der Druckausgleichsleitung 9 darstellenden Öffnung 17 ausgebildet ist.
Die Hohlrippe 16, die selbstverständlich mit strömungsgünstigem Profil ausgebildet wird, stellt hier also den in die Saugleitung hineinragenden Teil der Druckausgleichsleitung 9 dar.
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