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Umlaufende hydraulische Maschine
Die Erfindung bezieht sich auf umlaufende hydraulische Maschinen und bezweckt, die durch Flüssigkeitsreibung hervorgerufenen Verluste zu vermindern.
Bei umlaufenden hydraulischen Maschinen können erhebliche Verbesserungen des Wirkungsgrades erzielt werden, wenn die Flüssigkeitsreibung herabgesetzt wird. Das Ausmass erzielbarer Verbesserungen hängt vom Ausmass der am Energieumsatz beteiligten Hydraulik ab und wächst stetig mit deren Zunahme. Eine Verbesserung von 10/0 an Wirkungsgrad kann bei üblicher Verzinsung unter Umständen die Anschaffungskosten einer Turbine hereinbringen. Die Faktoren, die für die Flüssigkeitsreibung massgebend sind, sind die hydraulischen Eigenschaften der Arbeitsflüssigkeit, das Ausmass der benetzten Flächen und ihre Geschwindigkeit.
Die allgemeine Gleichung für den Reibungsverlust ist F = K. nx. dY, wobei F der Reibungsverlust in PS, K ein Parameter, n die Drehzahl in der Minute und d der mittlere Durchmesser der in Berührung mit der Arbeitsflüssigkeit befindlichen Teile sind.
Es wurden verschiedene Vorschläge aufgestellt, um die Flüssigkeitsreibung bei rotierenden Maschinen zu erniedrigen. Sie beruhen auf dem Konzept, entweder K oder d oder beide zu vermindern, jedoch konnte allein damit noch kein optimales Ergebnis erzielt werden. Die Erfindung versucht den Wirkunggrad zu steigern durch eine optimale Kombination eines niedrigstmöglichen Wertes für den Parameter K und eines minimalen Berührungsradius zwischen den rotierenden Teilen und der Flüssigkeit.
Der Wert K nimmt direkt mit der absoluten Viskosität der Flüssigkeit, die sich zwischen rotierenden Teilen befindet, zu. Durch Ersatz der normalerweise zwischen solchen Teilen befindlichen Flüssigkeit durch eine weniger viskose, können bereits erhebliche Gewinne erzielt werden.
Gemäss der Erfindung ist eine umlaufende hydraulische Maschine mit einem in einem Gehäuse um-
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lichen ringförmigen, durch Schaufeln verbundene und zwischen einander einen Durchströmraum für das Arbeitsmedium ausbildende Läuferkörper besteht, von denen jeder mit kreisförmigen, zur Drehachse der Maschine koaxialen Randteilen versehen ist, die mit entsprechend ausgebildeten Gehäuseteilen Laufspalte bilden, wobei inAbstand von den Randteilen beider Läuferkörper Spaltdichtungen vorgesehen und begrenzt von jeweils einer Spaltdichtung, dem entsprechendenRandteil und den zugeordneten Wandteilen des Läuferkörpers und des Gehäuses ringförmige Hohlräume ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass mit wenigstens einem dieser ringförmigen Hohlräume einRohisystem zur Zufuhr eines Mediums mit gegenüber dem Arbeitsmedium geringerer Viskosität und Dichte und mit wenigstens einer der Spaltdichtungenein Rohrsystem zur Zufuhr eines Dichtungsmediums mit gegenüber dem erstgenannten Medium höherer Dichte und dessen im Ringraum anfallenden Druck übersteigenden Druck vorgesehen ist, so dass ein Austritt erstgenannten Mediums aus dem ringförmigen Hohlraum durch die Spaltdichtung im wesentlichen verhindert ist und wobei durch den Umlauf des Läufers durch Zentrifugalwirkung eine Trennung zwischen dem erstgenannten Medium und demArbeitsmedium erfolgt und das letztere in radialer Richtung aus den Laufspalten austritt.
Obgleich die Erfindung auf Turbinen, Pumpen und Pumpenturbinen aller Art anwendbar ist, wird sie
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im folgenden speziell im Zusammenhange mit hydraulischen Turbinen der Francis-Type näher erläutert.
Da bekanntlich Luft weitaus weniger viskos ist als Wasser, wurden bereits mehrfach Versuche gemacht, den Wirkungsgrad von Francisturbinen dadurch zu verbessern, dass das normalerweise zwischen den stehenden und rotierenden Teilen befindliche Wasser durch Luft ersetzt wurde. Eine bekannte Methode dieser Art ist in der USA-Patentschrift Nr. 3,081, 975 der Patentinhaberin beschrieben und besteht darin, gewisse Laufspalte zwischen Läufer und Gehäuse zu dichten (Spaltdichtungen), andere mit dem Saugrohr zu verbinden, so dass Leckwasser in das Absaugrohr gebracht wird.
Im Falle von Francisturbinen ist der Läuferdurchmesser am Eintritt wesentlich grösser als am Austritt des durchströmenden Wassers. Da der Reibungsverlust mit der vierten Potenz des Durchmessers wächst, muss man trachten, Spaltdichtungen mit möglichst geringem Durchmesser auszuführen. Bekanntlich besteht der Läufer einer Francisturbine aus zwei Läuferkörpern, die zwischen sich einen Durchströmraum für das Arbeitsmedium ausbilden und in dem die Schaufeln angeordnet sind. Der eine Läuferkörper ist dabei auf die Turbinenwelle aufgekeilt, während der andere nur durch die Schaufeln an ersterem gehalten ist.
BeiAnwendung der erfindungsgemässen Lehre in diesem Falle wäre es möglich, die Spaltdichtungen für den erstgenannten Läuferkörper nahe an die Welle zu legen, doch würde dies einen sehr hohen axial gerichteten hydraulischen Druck ergeben, der zu nicht tragbaren Lagerdimensionen und Lagerreibungen führen würde.
Man wird daher die erfindungsgemässen Anordnungen in diesem Falle nur soweit anwenden, dass der Gewinn an Reibungsverminderung die Lagerverluste noch entsprechend überwiegt.
EinAusführungsbeispiel der Erfindung wird nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen Fig. l einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäss ausgestattete Francisturbine mit vertikaler Welle, Fig. 2 einen Schnitt durch dieselbe nach der Linie 2-2 der Fig. l und Fig. 3 einen Schnitt durch eine bei einer solchen Turbine vorgesehene erfindungsgemässe Einzelheit.
Selbstverständlich ist die Anwendung der Erfindung nicht auf die beispielsweise dargestellte Francisturbine mit vertikaler Welle beschränkt, sondern sie kann auch bei andern Typen von umlaufenden Maschinen mit beweglichem Antriebsmedium verwendet werden.
Wie besonders aus Fig. 3 zu erkennen ist, besteht die beispielsweise dargestellte Turbine aus einem oberen und einem unterenLäuferkörper l bzw. 2 mitdazwischenangeordnetenLaufschaufeln 3, wobei der obere Läuferkörper 1 auf die Turbinenwelle l'aufgekeilt ist. Das Druckwasser wird der Turbine über die Leitschaufelanordnung 5 zugeführt und in im wesentlichen entspannten Zustande durch das Saugrohr 6 abgeführt. Dichtungen 7 und 8 sind von jener Art, wie sie in der genannten USAPatentschrift Nr. 3,081, 975 beschrieben sind, wobei noch gewisse, im folgenden näher erläuterteAbänderungen hinzukommen. Jedoch könnten hier auch andere geeignete Spaltdichtungen verwendet werden, wie später noch erörtert werden wird. Mit den Röhren 30 und 31 wird ein relativ geringer Luftstrom den Räumen 11 bzw. 10 zugeführt.
Zum Verständnis der Erfindung sei der Fall betrachtet, dass die Turbine aus der Ruhe zur normalen Drehzahl hochläuft.
Im Ruhezustand sind die Räume 10 und 11 mit Wasser gefüllt. Sobald der Läufer seinen Umlauf beginnt, versetzt er diese Wasserfüllung ebenfalls in Umlauf und sie unterliegt damit Zentrifugalkräften.
Wird nun Luft, die naturgemäss von geringerer Dichte ist als Wasser, in den Raum 11 eingeführt, so bildet sich zufolge der auf das Wasser einwirkendenzentrifugalkräfte ein wasserfreier Raum aus, der sich mit zunehmender Luftzufuhr vom unteren Rand 32 des unteren Läuferkörpers ausgehend, immer weiter bis zum oberen äusseren Rand 33 desselben ausdehnt. Das dabei verdrängte Wasser entweicht durch den Spalt 14, wo es sich mit dem den Laufschaufeln zugeführten Druckwasser vereint. Natürlich bedeutet das nicht, dass das ganze Wasser aus dem Raum 11 entfernt wird. Einiges davon verbleibt noch und wird durch den rotierenden Luftanteil in Drehung versetzt und trachtet dabei an der konisch geformten Wand 34 der Leitschaufelanordnung emporzusteigen.
Auf die gleiche Weise führt das Einführen von Luft in den Raum 10 zur Verdrängung des dort befindlichen Wassers, ausgehend von der Zone 35 in Richtung der Zone 36 an der Aussenseite des oberen Läuferkörpers 1. Das verdrängte Wasser tritt durch den Spalt 13 hindurch, wonach es sich ebenfalls mit dem Druckwasser vereint. Wieder verbleibt noch ein Wasserrest im Raum 10, und er trachtet entlang der Wand 37 der Laufschaufelanordnung nach unten zu fliessen.
Wird mehr Luft zugeführt als zur Aufrechterhaltung eines Gleichgewichtszustandes an den Grenzflächen zwischen Luft und Wasser erforderlich ist, entweicht Luft durch die Spalten 13 und 14 in das Druckwasser und es stellt sich das Gleichgewicht von selbst wieder her. Es ist jedoch dieser entweichende Luftüberschuss so gering, dass er keinen Einfluss auf das Betriebsverhalten der Turbine hat.
Die bisher üblichenspaltdichtungen sind nicht ausreichend, die Luft in den Räumen 10 und 11 zu-
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rückzuhalten. Es wird daher den Spaltdichtungen 7 und 8 Wasser mit einem Druck zugeführt, der über dem der Luft liegt. Dieses Wasser kann jeder geeigneten Quelle entnommen und über die Leitungen 17, 18 zugeführt werden. Leckwasser über die Dichtungselemente 21,22 ist zufolge des geringen Druckabfalles an denselben verhältnismässig gering. Über den Dichtungselementen 21,22 liegt der gesamte Druckabfall der Turbine zwischen der Leitschaufelanordnung und dem Saugrohr und der Leckwasserverlust ist hier der übliche.
Der Leckwasserverlust zwischen den Elementen 21 und 22 läuft in die Räume 10 und 11, und unterliegt also den bereits oben beschriebenen fortlaufend stabilen Zuständen. Der Leckwasserverlust bei den Elementen 21,22 tritt in das Saugrohr ein.
Aus vorstehendem Beispiel ist ohne weiteres zu erkennen, dass durch die Erfindung die eingangs beschriebenen Probleme gelöst und Vorteile erzielt werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Umlaufende hydraulische Maschine mit einem in einem Gehäuse umlaufenden Läufer, der aus einem oberen, im wesentlichen scheibenförmigen und einem unteren im wesentlichen ringförmigen, durch Schaufeln verbundene und zwischen einander einen Durchströmraum für das Arbeitsmedium ausbildende Läuferkörper besteht, von denen jeder mit kreisförmigen, zur Drehachse der Maschine koaxialen Randteilen versehen ist, die mit entsprechend ausgebildeten Gehäuseteilen Laufspalte bilden, wobei in Abstand von den Randteilen beider Läuferkörper Spaltdichtungen vorgesehen und begrenzt von jeweils einer Spaltdichtung, dem entsprechenden Randteil und den zugeordneten Wandteilen des Läuferkörpers und des Gehäuses ringförmige Hohlräume ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mit wenigstens einem dieser ringförmigen Hohlräume (10,11) ein Rohrsystem (12)
zur Zufuhr eines Mediums mit gegenüber dem Arbeitsmedium geringerer Viskosität und Dichte, und mit wenigstens einer der Spaltdichtungen (7,8) ein Rohrsystem (17) zur Zufuhr eines Dichtungsmediums mit gegenüber dem erstgenannten Medium höherer Dichte und dessen im Ringraum anfallenden Druck übersteigenden Druck vorgesehen ist, so dass ein Austritt erstgenannten Mediums aus dem ringförmigen Hohlraum durch die Spaltdichtung im wesentlichen verhindert ist und wobei durch den Umlauf des Läufers durch Zentrifugalwirkung eine Trennung zwischen dem erstgenannten Medium und dem Arbeitsmedium erfolgt und das letztere in radialer Richtung aus den Laufspalten austritt.
2. Maschine nachAnspruchl, dadurch gekennzeichnet, dass diedem ringförmigen Läuferkörper (2) zugeordnete Spaltdichtung (8) in Abstand vom äusseren Umfange (14) desselben und die dem scheibenförmigen Läuferkörper (1) zugeordnete Spaltdichtung (7) im Mittelbereiche zwischen dem äusseren Rand (13) und der Läufernabe bzw.-welle angeordnet ist.