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Hydraulische Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf hydraulische Maschinen, die als Pumpen, Turbinen oder auf Pumpenoder Turbinenbetrieb umschaltbare Maschinen betrieben werden können.
Die Erfindung betrifft im besonderen eine hydraulische Maschine mit einem Rotor und einem Statorgehäuse, die zusammenwirken und zwischeneinander einen ringförmigen Zwischenraum einschliessen, in den eine Druckgaszuleitung mündet, die an eine Druckgasquelle, vorzugsweise Druckluftquelle, angeschlossen ist, deren Druck grösser ist als der Druck des hydraulischen Arbeitsmediums auf der Hochdruckseite der Maschine, wobei zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse am niederdruckseitigen Ende des ringförmigen Zwischenraumes eine Abdichtung vorgesehen ist, der hvdraulisches Arbeitsmedium mit einem Druck zugeführt wird, der höher ist als der Druck in diesem Zwischenraum, um so den Austritt von Gas aus dem Zwischenraum zurNiederdruckseite der Maschine zu verhindern,
und wobei für das zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse auf der Hochdruckseite der Maschine als Leckflüssigkeit austretende Arbeitsmedium im Statorgehäuse ein Sammelraum ausgebildet ist, von dem dieses Medium zur Niederdruckseite der Maschine oder über den ringförmigen Zwischenraum zu einem Abzug geleitet wird.
Die Erfindung zielt darauf ab, eine hydraulische Maschine der erläuterten Art so auszubilden, dass mit einfachem konstruktivem Aufwand ein Eindringen von auf der Hochdruckseite der Maschine zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse austretender hydraulischer Arbeitsflüssigkeit in den Ringspalt zwischen Rotor und Statorgehäuse verhindert wird, um eine kraftverzehrende Bremsung des Rotors zu vermeiden.
Bei einer bekannten hydraulischen Maschine der angegebenen Art soll der Eintritt von Leckflüssigkeit in den ringförmigen Zwischenraum zwischen Rotor und Statorgehäuse ausschliesslich durch Ausnutzung der Fliehkraft verhindert werden. Es ist ohne weiteres verständlich, dass auf diese Weise die beabsichtigte Wirkung nur unzureichend und in bestimmten Fällen, wenn infolge der Bauweise der Maschine, insbesondere aber infolge ihrer Betriebsweise, z. B. bei Betrieb mit relativ niedriger Rotordrehzahl, keine ausreichende Fliehkraft wirksam wird, überhaupt nicht erzielt werden kann.
Gemäss der Erfindung wird das angegebene Ziel in einfacher Weise dadurch erreicht, dass bei einer hydraulischen Maschine der einleitend erläuterten Art am Statorgehäuse nahe dem hochdruckseitigen Ende der Maschine eine Lippe zur Ablenkung des als Leckflüssigkeit austretenden Arbeitsm ediums in den Sammelraum und zur Verhinderung eines Eindringens derselben in den ringförmigen Zwischenraum vorgesehen ist.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist zwischen dem Sammelraum und der Abdichtung eine Leitung für die Zufuhr von Arbeitsmedium zu der Abdichtung vorgesehen.
Bei einer weiteren Ausbildung der erfindungsgemässen hydraulischen Maschine ist an den ringförmigen Zwischenraum eine Auslassleitung zur Abfuhr von Überschussmengen an Gas oder an Gemisch von Arbeitsmedium und Gas aus dem Zwischenraum angeschlossen.
In Anpassung an verschiedene Maschinentypen wird gemäss der Erfindung der radiale Abstand jener Umfangskante des Rotors, welche mit der Lippe zusammenwirkt, von der Drehachse des Rotors grösser als
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und in bestimmten Fällen gleich gross wie der radiale Abstand der Dichtfläche der Abdichtung am Rotor von dieser Drehachse bemessen.
Nach einem ändern Merkmal der Erfindung steht der ringförmige Zwischenraum über Durchlassöffnungen zur Ableitung von Gas, Arbeitsmedium oder Gemisch von Arbeitsmedium und Gas mit einer Auslasskammer in Verbindung, die ihrerseits Auslassöffnungen aufweist, die unter dem Niveau der Durchlassöffnungen liegen und in das niederdruckseitige Ende der Maschine einmünden, wobei zweckmässig die Auslassleitung in einem zwischen den Durchlassöffnungen und den Auslassöffnungen liegenden Niveau an die Auslasskammer angeschlossen ist.
Bei einer gemäss der Erfindung ausgebildeten hydraulischen Maschine kann bei verschiedener Betriebslage der Maschine die einwandfreie Funktion sichergestellt werden, indem bei vertikaler Drehachse des Rotors die Auslasskammer ringförmig ausgebildet ist und koaxial zum ringförmigen Zwischenraum liegt und dass bei horizontaler Drehachse des Rotors die Auslasskammer unter dem untersten Teil des ringförmigen Zwischenraumes liegt.
Zum besseren Verständnis werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen einige Aus- führungsbeispiele von gemäss der Erfindung ausgebildeten hydraulischen Maschinen beschrieben. Fig. lzeigt eine erfindungsgemässe hydraulische Maschine zur Verwendung als Pumpe, Turbine oder fürumschalt- betrieb als Pumpe oder Turbine, bei der die Durchmesser des Rotors am Hochdruckende und am Niederdruckende im wesentlichen gleich gross sind, Fig. 2 veranschaulicht eine andere Ausführungsform einer als Pumpe, Turbine oder im Wechselbetrieb als Pumpe und Turbine verwendbaren hydraulischen Maschine, Fig. 3 zeigt eine Turbine, bei der der Rotor am Hochdruckende einen kleineren Durchmesser als am Niederdruckende hat, und Fig.
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen hydraulischen Maschine, die als Pumpe, Turbine oder wahlweise umschaltbar als Pumpe und Turbine betrieben werden kann.
Fig. l zeigt eine als Turbine, Pumpe oder umschaltbar als Pumpe und Turbine verwendbare hydraulische Maschine für eine mittlere spezifische Drehzahl. Bei dieser Maschine ist der Durchmesser des Rotors am Hochdruckende nicht wesentlich grösser als am Niederdruckende. Bei dieser Ausführung dreht sich der Rotor 61 in einem ortsfesten Statorgehäuse 62 um eine Drehachse 63. Das Statorgehäuse weist am Hochdmckende der Maschine einen Strömungsweg 64, der beim Betrieb als Turbine den Einströmweg und beim Betrieb als Pumpe den Ausströmweg bildet, und am Niederdruckende der Maschine einen Strömungsweg 65 auf, der bei Turbinenbetrieb den Ausströmweg und bei Pumpenbetrieb den Einströmweg bildet. Der Rotor hat eine Mantelwand 67, die durch Schaufeln 69 mit einer nicht dargestellten Kronenwand verbunden ist.
Zwischen dem untersten Teil der Mantelwand 67 des Rotors und dem benachbarten Teil des Statorgehäuses 62 ist eine Abdichtung 69 ausgebildet, der an einer zwischen ihren Endengelegenen Stelle aus einer Lieferquelle Druckwasser zugeführt wird. Die Mantelwand 67 des Rotors und das Statorgehäuse begrenzen zwischeneinander einen Zwischenraum 70 und die Abdichtung 69 verhindert einen Austritt von Luft aus diesem Zwischenraum 70 in den Strömungsweg 65 für die Arbeitsflüssigkeit am Niederdruckende der Maschine. Druckwasser wird der Abdichtung 69 durch eine Rohrleitung 71 zugeführt, die in einen Ringraum 72 zwischen den Enden der Abdichtung 69 mündet.
Wasser vom Hochdruckende der Maschine dringt zwischen dem Rand 73 der Mantelwand 67 des Rotors und dem benachbarten Teil des Statorgehäuses 62 in einen ringförmigen Sammelraum 74 ein, der mit einer Lippe 74a ausgebildet ist, die das Leckwasser in den Raum 74 ablenkt und einenAn- fangsverschluss zwischen dem Statorgehäuseunddem benachbarten Teil 73a der Mantelwand des Rotors bildet. Eine übliche Umfangsabdichtung ist bei 73b gezeigt. Die Rohrleitung 71 ist an den Ringsammelraum 74 angeschlossen, so dass Wasser aus diesem Ringsammelraum durch die Leitung 71 zur Abdichtung 69 zugeleitet wird.
Luft wird in den Zwischenraum 70 aus einer Druckluftquelle durch eine Leitung 75 mit einer verengten Drosselstelle 76 zugeführt. Im Bereich der Abdichtung 69 bildet das Statorgehäuse eine ringförmige Auslasskammer 77, an der eine Auslassleitung 78 mit einer verengten Drosselstelle 79 angeschlossen ist. Die ringförmige Auslasskammer 77 steht mit dem Zwischenraum 70 durch eine Reihe von Öffnungen 77a in Verbindung, die am unteren Ende des Zwischenraumes 70 in dessen radial äusserer Wand vorgesehen sind. Die ringförmige Auslasskammer 77 ist ebenfalls mit einer Reihe von Auslassöffnungen 80 versehen, die mit dem Strömungsweg 65 für die Arbeitsflüssigkeit am Niederdruckende der Maschine in Verbindung stehen.
Die Abdichtung 69 hat einen unteren Absdmitt 69a und einen oberen Abschnitt 69b, der sich über eine kleinere Länge als der untere Abschnitt erstreckt.
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Im Betrieb tritt der grösste Teil der Leckflüssigkeitsmenge der Arbeitsflüssigkeit durch den Spalt zwischen dem Rand 73 der Rotormantelwand und dem Statorgehäuse 62 in die ringförmige Sammelkammer 74 ein, aus der die Flüssigkeit durch die Leitung 71 zur Abdichtung 69 strömt und hier den Spalt zwischen der Mantelwand 67 des Rotors und dem Statorgehäuse wirksam gegen den Austritt von Luft aus dem Zwischenraum 70 in den Strömungsweg 65 für die Arbeitsflüssigkeit verschliesst.
Eine sekundäre Leckwassermenge gelangt zwischen der Lippe 74a der ringförmigen Sammelkammer 74 und dem benachbarten Teil 73a der Rotormantelwand 67 in den Zwischenraum 70, in dem sie unter den Einfluss der Schwerkraft nach unten fliesst und unter der Wirkung der Fliehkraft durch die Öffnungen 77a in die ringförmige Auslasskammer 77 strömt.
Die durch die Leitung 75 in den Zwischenraum 70 eingeführte Druckluft treibt aus diesem Raum WasserindieAuslasskammerhinaus, in der die Höhe des Wasserspiegels durch die Auslassleitung 78 bestimmt ist. Die Drosselstelle 79 in der Auslassleitung 78 hat eine grössere Querschnittsfläche als die Drosselstelle 76 in der Luftzufuhrleitung 74, um sicherzustellen, dass bei einem übermässig hohen Druck der Luft das Wasser in der Auslasskammer 77 nicht bis unter die Auslassleitung 78 verdrängt wird.
Aus der ringförmigen Auslasskammer 77 tritt das Wasser durch die Auslassöffnungen 80 aus, die so kalibriert sind, dass die Menge des Leckwassers, die in den Zwischenraum 70 zwischen derLippe 74a des ringförmigen Sammelraumes 74 und dem Teil 73a der Rotormantelwand 67 und durch den oberen Abschnitt 69b der Abdichtung 69 zufliesst, gleich der Menge des durch die Abflussöffnungen 80 ausströmenden Leckwassers ist.
Bei Inbetriebsetzung der Maschine sind anfänglich der Zwischenraum 70 und die ringförmige Auslasskammer 77 vollständig mit Wasser gefüllt und die durch die Leitung zugeführte Luft sammelt sich im Zwischenraum 70 mit steigendem Druck an, wodurch das Wasser aus dem Zwischenraum und aus der Auslasskammer 77 so weit verdrängt wird, bis die Auslassleitung 78 nicht mehr von Wasser bedeckt ist.
In Fig. 8 ist eine als Pumpe, Turbine oder umschaltbar als Pumpe und Turbine verwendbare hydraulische Maschine mit einer niedrigeren spezifischen Drehzahl als die in Fig. 1 gezeigte Maschine dargestellt. Bei der Maschine gemäss Fig. 2 hat der Rotor an seinem Hochdruckende einen grösseren Durchmesser als am Niederdruckende. Der Rotor 81 dreht sich in einem feststehenden Statorgehäuse 82 um eine Drehachse 83. Das Statorgehäuse 82 weist am Hochdruckende der Maschine einen Strömungsweg 84 undamNiederdruckendeeinenStrömungsweg 85 auf und der Rotor hat eine Mantelwand 87, die durch Schaufeln mit einer nicht dargestellten Kronenwand verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform ist der untere Abschnitt 89a der Hauptabdichtung 89 als übliche Umfangsdichtung des Rotors ausgebildet.
Die Abdichtung 89 verhindert den Austritt von Luft aus einem Zwischenraum 90, der zwi- schen der Rotormantelwand 87 und dem Statorgehäuse 82 vorhanden ist. Zur Abdichtung 89 wird Wasser durch eine Leitung 91 zugeführt, die in eine zwischen dem oberen Ende Abschnitt 89b und dem unteren Abschnitt 89a der Abdichtung ausgebildete ringförmige Rinne 92 mündet.
Zwischen dem Rand 93 der Rotormantelwand 87 und dem benachbarten T eil des Statorgehäuses 82 ist keine mechanische Abdichtung vorgesehen und Leckwasser tritt durch den Spalt in eine rinnenförmige Sammelkammer 94 ein, aus der das Wasser durch die Leitung 91 zur Abdichtung 89 fliesst. Luft wird in den Zwischenraum 90 durch eine Leitung 95 mit einer verengten Drosselstelle 96 eingeführt und der der Abdichtung 89 benachbarte Teil des Statorgehäuses ist als ringförmige Auslasskammer 97 ausgebildet, die mit dem Zwischenraum 90 durch eine Reihe von Öffnungen 97a in Verbindung steht.
Eine Rohrleitung 98 mit einer verengten Drosselstelle 99 führt aus der Kammer 97 an einer Stelle nach aussen, die höher liegt als eine Reihe von Auslassöffnungen 100, welche die Auslasskammer 97 mit dem Strömungsweg 85 für die Arbeitsflüssigkeit an der Niederdruckseite der Ma- schine verbinden. MitAusnahme der vorstehend erläuterten Unterschiede arbeitet die Maschine nach Fig. 2 in der gleichen Weise wie die in Fig. 1 dargestellte Maschine.
Fig. 3 stellt eineTurbine dar, die für den Betrieb mit einer höheren spezifischen Drehzahl als die bisher beschriebenen Ausführungen der erfindungsgemässen Maschine bestimmt ist. Bei dieser Turbine dreht sich der Rotor 101 in einem Statorgehäuse 102 um eine Drehachse 103 und das Statorgehäuse weist am Hochdruckende der Maschine einen Strömungsweg 104 und am Niederdruckende einen Strömungsweg 105 auf. DieMantelwand 107 des Rotors ist durch Schaufeln 108 mit der nicht dargestellten Kronenwand verbunden und hat eine annähernd konische Form, die am unteren, niederdruckseitigen Ende einen grösseren Durchmesser als am oberen, hochdruckseitigen Ende hat.
Dadurch kann zwischen dem unteren Endteil der Rotormantelwand 107 und dem benachbarten Teil des Statorgehäuses eine Abdich- tung 109 ausgebildet werden, der das Leckwasser, das durch den Spalt zwischen dem Statorgehäuse 102
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und dem Rand 113 des oberen Teiles der Rotormantelwand 107 und weiter durch den Spalt zwischen einer Lippe 114a und dem Abschnitt 113a der Mantelwand eindringt, direkt zugeleitet werden kann.
Unter der kombinierten Wirkung der Schwerkraft und der Fliehkraft wird bei Vorhandensein irgend eines Gemisches von Luft und Wasser in dem zwischen der Rotormantelwand und dem Statorgehäuse gebildeten Zwischenraum 110 das Wasser sich nach unten und radial nach aussen abscheiden und die Luft wird nach oben und innen strömen. Auf diese Weise schafft das Wasser einen wirksamen Abschluss an der Abdichtung 109. Hiebei wird der Abdichtung Wasser mit einem Druck zugeführt, der auch dann höher ist als der im Zwischenraum 110 herrschende Druck, wenn das Wasser nicht von ausserhalb dieses Zwischenraumes zugeführt wird.
Eine Zufuhr von Druckluft in den Zwischenraum 110 ist durch eine Leitung 115 mit einer verengten Drosselstelle 116 vorgesehen und überschüssige Luft kann durch eine Rohrleitung 118 abgeführt werden, die eine verengte Drosselstelle 119 enthält, derenDurchlassquer- schnitt grösser ist als der Durchlassquerschnitt der verengten Drosselstelle 116. Die Höhenlage der Eintrittsöffnung der Rohrleitung im Zwischenraum 110 ist so gewählt, dass in diesem eine zur Sicherstellung des Verschlusses an der Abdichtung 109 ausreichende Wassertiefe aufrecht erhalten wird.
Die Hauptmenge des durch den Spalt zwischen dem Rand 113 am oberen Ende der Rotormantelwand 107 und dem Statorgehäuse 102 eintretenden Leckwassers fliesst in eine ringförmige Sammel- kammer 114, die an ihrer tiefsten Stelle mit verengten Öffnungen 121 versehen ist, durch die das Wasser in einen Durchlass 122 und aus diesem in den Strömungsweg 115 am Niederdruckende der Maschine abläuft.
Die in Fig. 4 dargestellte hydraulische Maschine, die als Pumpe, Turbine oder im Umkehrbetrieb verwendet werden kann, ist für mittlere spezifische Drehzahlen bestimmt und unterscheidet sich von den bisher erläuterten Ausführungen dadurch, dass sie eine horizontale Welle hat. Der Rotor 151 dreht sich in einem Statorgehäuse 152 um eine Drehachse 153 und das Statorgehäuse weist am Hochdruckende der Maschine einen Strömungsweg 154 und am Niederdruckende einen Strömungsweg 155 auf. Die Mantelwand 157 des Rotors ist durch Schaufeln 158 mit der nicht dargestellten Kronenwand verbunden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Abdichtung 159 zwischen der Mantelwand am Niederdruckende des Rotors und dem benachbarten Teil des Statorgehäuses ausgebildet. Die Abdichtung 159 verhindert ein Entweichen von Luft aus einem zwischen der Rotormantelwand 157 und dem Statorgehäuse 152 gebildeten Zwischenraum 160 an dessen niederdruckseitigem Ende (in Fig. 4 rechts) durch Verschliessen der Abdichtung 159 mit Wasser, das dieser Abdichtung durch eine Leitung 161 zugeführt wird, die das Wasser in eine zwischen den Enden der Abdichtung ausgebildete Ringkammer 162 fördert. Der Hauptteil 159a derAbdichtung, der in Fig. 4 rechts liegt, ist dem grösseren Teil der Druckdifferenz unterworfen, wogegen an den beiden Seiten des andern (linken) Teiles 159b der Abdichtung eine kleinere Druckdifferenz herrscht.
ZwischendemRand 163 der Rotormantelwand 157 und dem benachbarten Teil desStatorgehäu- ses ist eine mechanische Hauptabdichtung 163b der Maschinen angeordnet. Durch diese Abdichtung 163b eingedrungenes Leckwasser wird durch einen Ablenker 164a in einen ringförmigen Sammelraum 164 geführt. Der Ablenker 164a bildet mit einem Abschnitt 163a der Rotormantelwand 157 eine Anfangsabdichtung. Das unter Druck in den Ringsammelraum 164 eintretende Wasser strömt durch die Leitung 161 zur Abdichtung 159.
Druckluft wird in den Zwischenraum 160 durch eine Leitung 165 eingeführt, die eine verengte Drosselstelle 166 aufweist.
Statt der bei den Maschinen mit vertikaler Drehachse verwendeten ringförmigen Auslasskammer ist im vorliegenden Falle an der untersten Stelle des Zwischenraumes 160 eine Auslasskammer 167 mit entsprechend grossem Fassungsvermögen vorgesehen, von dem ein Verbindungsrohr 167a zum tiefsten Punkt des Zwischenraumes 160 führt. Die Höhe des Wasserspiegels in der Auslasskammer 167 ist durch die Luftauslassleitung 168 bestimmt, die eine verengte Drosselstelle 169 enthält. Die Grösse der Drosselöffnung 169 ist so gewählt, dass der in der Auslasskammer 167 herrschende Druck ausreicht, um Wasser durch eine Leitung 170 in den Strömungsweg 155 für die Arbeitsflüssigkeit an der Niederdruckseite der Maschine oder zu einer andern geeigneten Stelle abzuführen.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen der erfindungsgemässen hydraulischen Maschine können die verengten Drosselöffnungen 76, 96, 116, 166, 79, 99, 119 und 169 einstellbar ausgebildet sein. Es können auch die Rohrleitungen 71,91 und 161 mit einstellbaren Drosselstellen ausgestattetwerden. Diese Rohre können ferner an andere als an die in den Zeichnungen dargestellte Lieferquellen für Wasser angeschlossen sein.
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Es ist augenscheinlich, dass die durch die Rotordrehung bewirkten Verluste herabgesetzt werden und der Wirkungsgrad der Maschine erhöht wird, wenn der zwischen der Rotormantelwand und dem Statorge- häuse befindliche Zwischenraum im wesentlichen vollständig mit Luft gefüllt und frei von Wassergehalten wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Hydraulische Maschine mit einem Rotor und einem Statorgehäuse, die zusammenwirken undzwi- scheneinander einen ringförmigen Zwischenraum einschliessen, in den eine Druckgaszuleitung mündet, die an eine Druckgasquelle, vorzugsweise Druckluftquelle, angeschlossen ist, deren Druck grösser ist als der Druck des hydraulischen Arbeitsmediums auf der Hochdruckseite der Maschine, wobei zwischen dem Rotor und dem Statorgehäuse am niederdruckseitigen Ende des ringförmigen Zwischenraumes eineAbdichtung vorgesehen ist, der hydraulisches Arbeitsmedium mit einem Druck zugeführt wird, der höher ist als der Druck in diesem Zwischenraum, um so den Austritt von Gas aus dem Zwischenraum zur Niederdruckseite
EMI5.1
ausgebildet ist,
von dem dieses Medium zur Niederdruckseite der Maschine oder über den ringförmigen Zwischenraum zu einem Abzug geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass am Statorgehäuse (62, 82,102, 152) nahe dem hochdruckseitigen Ende der Maschine eine Lippe (74a, 94a, 114a, 164a) zur Ablenkung des als Leckflüssigkeit austretenden Arbeitsmediums in den Sammelraum (74,94, 114,164) und zur Verhinderung eines Eindringens derselben in den ringförmigen Zwischenraum (70,90, 110,160) vorgesehen ist.