CH658298A5

CH658298A5 - Vertikale hydraulische pumpenturbine mit mehreren druckstufen.

Info

Publication number: CH658298A5
Application number: CH7085/81A
Authority: CH
Inventors: Kentaro Ichikawa; Ichiro Yamagata; Sachio Tsunoda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1981-11-05
Publication date: 1986-10-31
Also published as: DE3143597A1; JPS6316583B2; JPS5781164A; US4431370A; DE3143597C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine vertikale hydraulische Pumpenturbine mit mehreren Druckstufen.

Wenn mehrstufige Pumpenturbinen auf Pumpen- oder Speicherbetrieb gebracht werden sollen, ist es üblich, die Leitschaufeln der höchsten Druckstufe ganz zu schliessen, Druckluft in die das Laufrad umschliessende Kammer zu blasen, um damit das Wasser aus der Kammer zu verdrängen und auf diese Weise das erforderliche Anlaufdrehmoment herabzusetzen. Ist die Pumpenturbine angelaufen, wird Druckluft abgelassen und es wird Wasser aus dem Saugrohr angesaugt, das die Kammern um die Laufräder füllt. Ist ein gewisser Wasserdruck, der sogenannte Füllungsdruck an der Abgabeseite erreicht, werden die Leitschaufeln geöffnet und die Pumpwirkung beginnt.

Das Entlüften der Kammer, die das Niederdrucklaufrad umschliesst, ist viel schwieriger als das Austreiben der Luft bei einer einstufigen Pumpenturbine oder aus der Hochdruckkammer einer mehrstufigen Pumpenturbine. Insbesondere ist das Entlüften der Stufe mit dem niedrigsten Druck am schwierigsten.

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, eine Entlüftungsvorrichtung für eine mehrstufige hydraulische Maschine zu schaffen, mit deren Hilfe die Luft aus dem Gehäuse der niedrigsten Druckstufe vollständig abgelassen werden kann.

Die Erfindung gibt die zur Lösung der gestellten Aufgabe erforderlichen Mittel an. Diese zeichnen sich dadurch aus,

dass die genannten Mittel eine Luftablassvorrichtung aufweisen, die einen Ablasskanal umfassen, dessen oberes Ende sich bis zu einer im Bereich des wellenseitigen, unteren Endes des Laufrades der untersten Stufe gebildeten Entlüftungsöffnung (3a) erstreckt und dass der Ablasskanal aus dem Saugrohr herausführt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt:

Figur 1 einen Vertikalschnitt, einer zweistufigen Pumpenturbine.

Figur 2 einen Vertikalschnitt eines Teiles der Maschine nach Figur 1 in grösserem Massstab.

Figur 3 einen Vertikalschnitt der Maschine nach Figur 1, wobei das Niveau des Wassers in einer Kammer durch eingeblasene Druckluft gesenkt worden ist.

Figur 4 einen Vertikalschnitt wie bei Figur 3, wobei die Druckluft durch Wasser ersetzt ist.

Figur 5 einen Vertikalschnitt wie bei Figur 3 während dem letzten Stadium des Luftablassens und des mit Wasser Füllens.

Figur 6 einen Vertikalschnitt eines Teiles einer modifizierten Maschine nach Figur 1 in grösserem Massstab.

Figur 7 einen Vertikalschnitt der zweiten Ausführungsform einer Pumpenturbine nach Figur 6.

Der Einfachheit halber wird die Beschreibung anhand einer vertikalen, zweistufigen, umkehrbaren Pumpenturbine dargestellt. Die zweistufige Pumpenturbine hat einen Hochdruckteil mit einem Hochdrucklaufrad 2 und einen Niederdruckteil mit einem Niederdrucklaufrad 3. Die Laufräder sind übereinander auf einer Welle 1 angeordnet; das Hochdrucklaufrad 2 befindet sich oberhalb dem Niederdruckrad. Das Hochdrucklaufrad 2 befindet sich in einer Kammer 6, die aus einem Deckel 4 und einem unteren Gehäuseteil 5 besteht, während das Niederdrucklaufrad 3 sich in einer Kammer 9 befindet, die aus den Teilen 7 und 8 besteht. Die Kammern 6 und 9 bilden einen Teil des Wasserdurchlasses der Pumpenturbine. Sie sind durch den Umlenkteil 10 miteinander verbunden. Das aus der Hochdruckstufe austretende Wasser fliesst im Umlenkteil 10 zuerst radial nach aussen und danach radial nach innen zur Kammer 9, die das Niederdrucklaufrad 3 umschliesst. Im Umlenkteil 10 befindet sich eine Reihe von Umlenkschaufeln 11.

Sofern dies nicht besonders angegeben ist, bezieht sich die Nomenklatur auf die Wirkungsweise der Pumpenturbine als Turbine.

Aussen an die Kammer 6, die das Hochdrucklaufrad 2 umschliesst, ist ein Spiralgehäuse 12 angeschlossen. Das Spiralgehäuse 12 ist an eine nicht dargestellte Druckleitung mit einem nicht dargestellten Einlassventil angeschlossen. An der Einlassseite der Hochdruckstufe ist vor dem Laufrad 2 ein Satz von verstellbaren Leitschaufeln 14 angeordnet. Am Ende des Umlenkteiles 10 ist vor dem Niederdrucklaufrad 3 ebenfalls ein Satz von verstellbaren Leitschaufeln 15 angeordnet. Jeder Leitschaufelsatz hat einen nicht dargestellten Verstellmechanismus, mit dem der Durchlass verstellt werden kann.

Das untere Ende der Kammer 9 der Niederdrucklaufrades 3 ist an ein als Ganzes mit 16 bezeichnetes Saugrohr angeschlossen, das nach unten konisch erweitert ist. Das Saugrohr 16 ist über ein Knie 17 in die Horizontale umgelenkt. Im Saugrohr 16 befindet sich ein konisch erweitertes als Ganzes mit 18 bezeichnetes Rohr, das das Knie 17 durchsetzt. Der Hohlraum 21 des Rohres 18 wird zentrisch von der Welle 1 durchsetzt. Aus Herstellungsgründen besteht das konische Rohr 18 aus zwei Teilen 19 und 20 wie in Figur 2 dargestellt ist.

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Das Niederdrucklaufrad 3 hat eine nach unten offene, ringförmige Ausnehmung 3b, die sich um die Welle 1 erstreckt. Das obere Ende 19a des Teiles 19 des konischen Rohres erstreckt sich ein wenig über den unteren Teil der Auslassöffnung des Niederdrucklaufrades 3 in die ringförmige Öffnung. Zwischen dem Niederdrucklaufrad und dem oberen Ende 19a verbleibt somit ein Spalt 3a, der eine Entlüftungsöffnung bildet.

Der obere Teil 19 des konischen Rohres 18 ist ferner mit einer Wasserauslassöffnung 23 versehen, während der untere ' konische Teil 20 einen ringförmigen nach innen gerichteten Flansch 20a hat, in dem eine Wellendichtung 24 angebracht ist.

Im konischen Rohr 18 befindet sich ein Luftablassrohr 25, dessen oberes Ende 25a sich bis in den Bereich der Entlüftungsöffnung 3a erstreckt. In der Rohrleitung 25 ist ein Luftauslassventil 26 angebracht. Eine zweite Luftablassleitung 27 mit einem Ventil 28 führt vom oberen Deckel 4 des Raumes 6 nach aussen. Ausserhalb der Kammern 6 und 9, aber mit denselben verbunden, sind druckempfindliche Relais 29 und 30 angebracht. Diese Relais dienen dazu, den Fülldruck festzustellen, wenn die Pumpenturbine als Pumpe betrieben wird.

Ist der erforderliche Fülldruck erreicht, schliessen die Relais die Ventile 26 und 28.

Aus einer Druckluftleitung 31 sind Abzweigleitungen 31A und 31B zum oberen Teil des Saugrohres 16 beziehungsweise zum mittleren Bereich des Umlenkteiles 10 geführt.

Die Abzweigleitungen 31A und 31B sind mit Ventilen 32A und 32B versehen.

Ferner ist eine Wasserabfuhrleitung 33 zwischen dem Umlenkteil 10 und dem Knie 17 angebracht, durch die Wasser aus dem Teil 10 direkt in das Knie 17 geleitet werden kann. In der Leitung 33 ist ein normalerweise geschlossenes Ventil 34 angebracht.

Beim Betrieb als Turbine wie bei Figur 1 fliesst Druckwasser aus der Druckwasserleitung in das Spiralgehäuse 12, wird durch die Leitschaufeln 14 in der Kammer 6 umgelenkt und gelangt zum Hochdrucklaufrad 2. Aus der Kammer 6 fliesst das Wasser durch den Umlenkteil 10, umströmt die Schaufeln 11 und wird von den Leitschaufeln 15 in der Kammer 9 auf das Niederdrucklaufrad 3 gelenkt.

Wird dagegen die Maschine als Pumpe betrieben, werden die Laufräder in entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben. Dabei wird Wasser aus dem Saugrohr 16 angesaugt und nach oben befördert in die Druckleitung.

Vor der Inbetriebnahme als Pumpe wird in die Kammer 6 und 9 Druckluft eingelassen, um das Wasser herauszutreiben, während nach Beginn des Pumpbetriebes Druckluft abgelassen wird und die Kammern sich mit Wasser füllen. Dabei befinden sich die Leitschaufeln 14 und 15 zunächst in geschlossenem Zustand. Jetzt werden die Druckluftzufuhrventile 32A und 32B geöffnet, so dass Druckluft in den Umlenkteil 10 und das Saugrohr 16 einströmt. Während dieses Vorganges sind die Luftablassventile 26 und 28 geschlossen, während das Wasserablassventil 34 offen ist. Daher wird das Wasser aus dem Umlenkteil 10 durch die Leitung 33 in das Knie 17 abgelassen. Gleichzeitig wird das Wasser aus dem Saugrohr 16 in das Knie 17 gedrängt und das Wasser im oberen Teil des konischen Rohres 18 wird durch die Bohrung 23 im unteren Teil 19 verdrängt und gelangt ebenfalls in das Knie 17.

Ist das Waser soweit zurückgedrängt, wie in Figur 3 dargestellt ist, werden die beiden Druckluftventile 32A und 32B geschlossen und die beiden Laufräder 2 und 3 in Pumprichtung angetrieben, wobei sie zunächst in Druckluft rotieren. Hat die Tourenzahl den Synchronwert des antreibenden Motors erreicht, werden die Luftablassventile 28 und 26 geöffnet, so dass Luft aus den Kammern 6 und 9 durch die

Leitungen 25 und 27 entweichen kann. Sowie das Wasser im Umlenkteil 10 und im Saugrohr 16 soweit angestiegen ist,

dass es den unteren Rand der Laufräder 2 und 3 erreicht,

wird es nach aussen geschleudert und nach oben getrieben, so dass es die Kammern 6 und 9 füllt, wie dies in Figur 4 dargestellt ist. Sind die Kammern 6 und 9, die die Laufräder umschliessen, ganz gefüllt, stellen die Relais 29 und 30 den Füllungsdruck fest und geben ein Signal zum Schliessen der Ventile 28 und 26 ab. Auch das Ablassventil 34 wird durch das Signal eines oder beider Relais 29,30 geschlossen. Bestätigt ein Signal, dass die Ventile 26,28 und 34 geschlossen sind, beginnt eine nicht dargestellte Vorrichtung zuerst die Leitschaufeln 15 des Niederdrucklaufrades 3 und danach die Leitschaufeln 14 des Hochdrucklaufrades 2 zu öffnen, so dass nun die Pumpenturbine im Pumpbetrieb läuft.

Beim Luftablassen, wie oben beschrieben, hat die Luft die Tendenz, im oberen Teil der Kammern 6 und 9 zurückzubleiben, wie in Figur 5 dargestellt ist.

Die im oberen Teil der Kammer 9, die das Niederdrucklaufrad 3 umschliesst, verbliebene Luft kann durch das Luftablassrohr 25, das in den Luftablassbereich 3a mündet, abgelassen werden. Da die Welle im Saugrohr 16 durch das konische Rohr 18 abgeschirmt ist, wird eine Kavitation infolge Druckpulsation, sogar dann vermieden, wenn die Turbine unter Teillast betrieben wird.

In Figur 6 ist ein Variante dargestellt. Hier ist eine ringförmige Nut 36 im oberen Ende 19a des konischen Rohres 19 angebracht, die in die ringförmige Ausnehmung 3 a hineinreicht. Das obere Ende des Luftablassrohres 25 erstreckt sich bis in die ringförmige Nut 36. Eine Abdeckung 37 überdeckt die ringförmige Nut 36 mit geringem Spiel und deckt das Rohr 25 ab. Infolge dieser Anordnung wird das Rohr 25 nicht sofort geschlossen, wenn das Wasser im oberen Ende des konischen Rohres 19 bis zum Entlüftungsbereich 3a reicht. Da sich die Nut 36 entlang dem ganzen Umfang des oberen konischen Teiles 19 erstreckt, besteht die Gewissheit, dass alle Luft aus dem Bereich 3 a abgesaugt wird.

Die Erfindung ist auch bei einer Pumpenturbine mit mehr als zwei Stufen anwendbar.

Zur Vereinfachung der Beschreibung ist in Figur 7 eine Variante einer nur zweistufigen Maschine dargestellt. Teile, ähnlich denjenigen wie in Figur 1-6, sind mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Bei dieser Maschine hat der Hochdruckteil ein Laufrad 2, das sich in einer Kammer 6 befindet, die eine obere Abdek-kung 4 und eine untere Abdeckung 5 hat. Der Niederdruckteil hat ein Laufrad 3, das sich in einer Kammer 9 befindet, die Abdeckungen 7 und 8 hat. Die Laufräder sind auf einer Welle 1 montiert. Umlenkteil 10 hat inwendig stationäre Umlenkschaufeln 11. Er verbindet die Kammern 6 und 9 miteinander.

Ein Spiralgehäuse 12 umschliesst die Kammer 6 und verbindet diese mit einer nicht dargestellten Druckleitung. Ferner sind verstellbare Leitschaufelkränze 14 und 15 im Hoch-und Niederdruckteil vorgesehen.

Nicht dargestellte Versteilvorrichtungen erlauben, die Leitschaufelkränze 14 und 15 unabhängig voneinander zu verstellen. Das untere Ende der Kammer 9 ist mit einem gebogenen Saugrohr 16 verbunden, das in einen nicht dargestellten Ablaufstollen mündet.

Das untere Ende der Welle 1 erstreckt sich durch den mittleren Teil des Saugrohres 16 und ist mit dem konischen Teil der Nabe des Niederdrucklaufrades 3 verbunden. Im Gegensatz zu der vorgehend beschriebenen Maschine ist hier ein Luftablasskanal 40 in Form einer Längsbohrung in der Welle 1 angebracht. Das obere Ende des Kanals 40 mündet in Radialbohrungen, die die Entlüftungsöffnungen 3a im Bereich des unteren Endes des Laufrades 3 bilden. Am

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unteren Ende der Welle 1 ist eine Luftablasskammer 41 angeordnet, die mit dem Kanal 40 in Verbindung steht. Eine Luftablassleitung 42 führt von der Kammer 41 über ein Ventil 43 nach aussen.

Eine Luftablassleitung 27 mit einem Ventil 28 führt von der oberen Abdeckung 4 der Hochdruckkammer 6 nach aussen. Druckempfindliche Relais 29 und 30 sind wie früher beschrieben vorgesehen. Die Relais 29 und 30 geben Signale zum Schliessen der Ventile 28 und 26 ab, wenn der Füllungsdruck erreicht ist, bei Inbetriebnahme der Maschine als Pumpe.

Von der Druckluftleitung 31 führen Abzweigleitungen 31A und 31B zum oberen Teil des Saugrohres 16 beziehungsweise zum mittleren Teil des Umlenkteiles 10.

In den Abzweigleitungen sind Ventile 32A und 32B angebracht. Wie bei der früher beschriebenen Maschine ist eine Wasserablassleitung 33 zwischen deren Umlenkteil 10 und dem Saugrohrknie 16 angebracht. Sie enthält ein normalerweise geschlossenes Ventil 34.

Der Betrieb der Maschine nach Figur 7 entspricht demjenigen wie anhand der Figuren 1-6 beschrieben. Soll die Maschine als Pumpe in Betrieb genommen werden, sind die Leitschaufelkränze 14 und 15 geschlossen, durch die Leitungen 31A und 31B wird Druckluft in den Umlenkteil 10 und in das Saugrohr 16 gepresst. Dabei sind die Ventile 28 und 43 geschlossen, während das Ablassventil 34 offen ist.

Hat sich das Niveau des Wassers in den Kammern 6 und 9 genügend gesenkt, werden die Ventile 32A und 32B geschlossen, die Laufräder 2 und 3 in Pumprichtung angetrieben, wobei sie sich in Druckluft bewegen. Erreicht die Dreh-5 zahl den Synchronwert des Antriebsmotors, werden die Ventile 28 und 43 geöffnet, damit die Druckluft entweichen kann. Das Niveau des Wassers in den Kammern 6 und 9 steigt, bis sie die Laufräder erreichen, die das Wasser nach aussen schleudern. Sind die Kammern 6 und 9 ganz mit Wasser io gefüllt und ist der Füllungsdruck erreicht, schliessen die Relais 29 und 30 die Luftablassventile 28 und 43 sowie das Wasserablassventil 34. Nach Bestätigung des Schliessens der Ventile 28,43 und 34 werden nacheinander, zuerst die Leitschaufeln 15 des Niederdruckteiles und danach diejeni-15 gen 14 des Hochdruckteiles geöffnet, bis die Maschine als Pumpe arbeitet.

Am Schluss des oben beschrieben Vorganges des Luftablassens verbleibt noch etwas Druckluft im oberen Teil der Kammern 6 und 9. Die Luft aus der Kammer 9 wird wir-20 kungsvoll über das Luftablassgebiet 3a abgelassen. Durch die in der Welle 1 angebrachte Ablassöffnung 40 gelangt die Luft zur Kammer 41 und kann durch das geöffnete Ventil 43 entweichen.

Die Wirkungsweise der Maschine wurde bisher anhand 25 ten, dass die Erfindung auch bei umkehrbaren Pumpenturbinen mit mehr als zwei Stufen angewendet werden kann.

4 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Vertikale hydraulische Pumpenturbine mit mehreren Druckstufen, die je ein auf einer Welle (1) angeordnetes Laufrad (2,3) umfassen, wobei jeweils ein Umlenkteil (10) benachbarte Druckstufen miteinander verbindet und ein verstellbarer Leitschaufelkranz (14) mindestens für das Laufrad (2) der höchsten Druckstufe vorgesehen ist und ein Saugrohr (16) an die niedrigste Druckstufe angeschlossen ist, wobei ferner Mittel (31,27,32A, 32B, 28) zum Zuführen und Ablassen von Druckluft in die Druckstufen bei geschlossenem Leitschaufelkranz (14) beziehungsweise Leitschaufelkränzen (14, 15) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten Mittel eine Luftablassvorrichtung aufweisen, die einen Ablasskanal (25,40) umfassen, dessen oberes Ende sich bis zu einer im Bereich des wellenseitigen, unteren Endes des Laufrades (3) der untersten Stufe gebildeten Entlüftungsöffnung (3a) erstreckt, und dass der Ablasskanal (25 ; 40) aus dem Saugrohr ( 16) herausführt.

2. Hydraulische Pumpenturbine nach Anspruch 1, bei der im Saugrohr (16) ein konisches Rohr (18) angeordnet ist, welches die Welle (1) umschliesst, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftablasskanal durch ein im konischen Rohr (18) geführtes Luftablassrohr (25) gebildet ist, das bei der Entlüftungsöffnung (3 a) mündet.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Hydraulische Pumpenturbine nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung der Entlüftungsöffnung (3a) eine nach unten offene, ringförmige Vertiefung (3a) in der Nabe des Laufrades (3) der niedrigsten Druckstufe vorhanden ist, in die das obere Ende des konischen Rohres (18) hineinragt.

4. Hydraulische Pumpenturbine nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Rand (19a) des konischen Rohres (18) eine ringförmige Nut (36) angebracht ist, die durch einen Deckring (37) überdeckt ist und das obere Ende des Luftablassrohres in diese Nut mündet (Figur 6).

5. Hydraulische Pumpenturbine nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungsöffnung (3a) in der Welle (1) vorgesehen ist und dass die LuftablassVorrichtung als Ablasskanal eine im Innern der Welle (1) angebrachte Längsbohrung (40) umfasst, die in eine Luftablasskammer (41) mündet, die unter dem unteren Ende der Welle angeordnet ist (Figur 7).