CH658495A5

CH658495A5 - Mehrstufige wasserkraftmaschine.

Info

Publication number: CH658495A5
Application number: CH8011/80A
Authority: CH
Inventors: Kentaro Ichikawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-10-28
Publication date: 1986-11-14
Also published as: DE3040468C2; US4547123A; DE3040468A1; US4406577A

Description

Die Erfindung befasst sich mit einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und mit einem Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine.

Seit kurzem werden hydroelektrische Pumpenspeicher-kraftwerke an Stellen gebaut, wo ein hoher Wasserdruck erzielt werden kann, was wiederum zur Folge hat, dass der Bedarf und die Nachfrage nach mehrstufigen Wasserkraftmaschinen, beispielsweise nach mehrstufigen Turbinenpumpen ständig im Wachsen ist. Weil mehrstufige Turbinenpumpen konventioneller Ausführung nicht mit beweglichen Führungsschaufeln versehen sind, müssen diese, wenn sie als Pumpe arbeiten sollen, im Wasser anlaufen. Eine mehrstufige Pumpenturbine, die für eine hohe Leistung ausgelegt ist, benötigt jedoch dann, wenn sie als Pumpe arbeiten und im Wasser anlaufen soll, eine sehr hohe Start- und Eingangsenergie. Diese Anlaufmethode beeinträchtigt also sehr stark das Elektronetz, in das die Pumpenturbine geschaltet ist. Besonders stark beeinträchtigt wird das Betriebsverhalten eines solchen Systems dann, wenn man wirtschaftliche Gründe dafür in Rechnung setzt. Ferner wird bei seit kurzem entwik-kelten mehrstufigen Wasserkraftmaschinen grosser Leistung ein Phasenschieberbetrieb und eine Verzögerung des Pumpenbetriebes verlangt, wenn der Läufer sich in Luft drehen soll. Um diese Forderungen erfüllen zu können, ist es wichtig, dass eine mehrstufige Wasserkraftmaschine, die als Pumpe arbeiten soll, dann für den Betrieb als Pumpe in Luft gestartet und in Betrieb genommen wird, wenn der Wasserspiegel so weit abgesenkt worden ist, dass der Läufer der Wasserkraftmaschine mit dem Wasser nicht mehr in Kontakt steht.

Bei einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine konventioneller Art ist die Struktur des für den Wasserdurchlauf bestimmten Weges jedoch so kompliziert, dass es schwierig ist, ohne Entleerungsverzögerungen, die komprimierte Luft, welche in jeder Läuferkammer enthalten ist, vollständig zu entfernen. Aus diesem Grunde war es schwierig, eine mehrstufige Wasserkraftmaschine als eine in Luft arbeitende Pumpe zu starten und anlaufen zu lassen, und dementsprechend gestaltete sich auch der Phasenschieberbetrieb oder der verzögerte Pumpenbetrieb als schwierig.

Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführten Aufgaben:

Eine mehrstufige Wasserkraftmaschine zu schaffen, welche die in den Läuferkammern enthaltene komprimierte Luft ohne Entleerungsverzögerung vollständig herausdrük-ken kann.

Eine mehrstufige Wasserkraftmaschine zu schaffen, welche als Pumpe in Luft gestartet und in Betrieb genommen werden kann, derart, dass der Wasserspiegel so weit abgesenkt ist, dass er die Läufer der Wasserkraftmaschine nicht mehr berührt.

Eine mehrstufige Wasserkraftmaschine zu schaffen, die als Phasenschieber betrieben werden kann und die mit verzögertem Pumpenbetrieb arbeiten kann.

Ein Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine zu ermöglichen, mit dem ohne Entleerungsverzögerung die in den Läuferkammern enthaltene komprimierte Luft vollständig abgeführt werden kann.

s Ein solches Verfahren, mit dem die Wasserkraftmaschine als Pumpe in Luft gestartet und in Betrieb genommen werden kann, wenn der Wasserspiegel so weit abgesenkt worden ist, dass zwischen Läufer und Wasser keine Berührung mehr gegeben ist.

io Fernerhin ein solches Verfahren zu ermöglichen, mit dem diese Wasserkraftmaschine als Phasenschieber betrieben und gefahren werden kann oder aber mit Verzögerung im Pumpenbetrieb.

Die Erfindung löst die ihr gestellten Aufgaben durch die is Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 bzw. des Patentanspruchs 13.

Die davon abhängigen Ansprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der 20 Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 Einen Vertikalschnitt durch eine zweistufige Pumpenturbine als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

25 Fig. 2 bis 4 Schematische Vertikalschnitte durch die mit Fig. 1 wiedergegebene Pumpenturbine. Dargestellt ist das Verfahren des Startens der zweistufigen Pumpenturbine als eine in Luft arbeitende Pumpe.

Fig. 5 bis 8 Schematische Vertikalschnitte durch eine für 30 das Abdichten und Absperren des Wassers in einer zweistufigen Pumpenturbine bestimmten Vorrichtung.

Wie nun anhand der Zeichnung, insbesondere aber anhand von Fig. 1 zu erkennen ist — gleiche oder ähnliche Teile sind in den verschiedenen Darstellungen auch mit den glei-35 chen allgemeinen Hinweiszahlen gekennzeichnet, ist die Hauptwelle der zweistufigen Pumpenturbine mit der allgemeinen Hinweiszahl 1 gekennzeichnet. Auf dieser Hauptwelle 1 sitzen ein Läufer 2 einer Hochdruckstufe und ein Läufer 3 einer Niederdruckstufe. Der Abstand zwischen den beiden 40 auf der Hauptwelle sitzenden Läufern 2 und 3 ist mit einem Distanzring 4 ausgefüllt. Der Läufer 2 ist in das Läufer oder in die Läuferkammer 5 einer Hochdruckstufe eingebaut, während der Läufer 3 in eine Läuferkammer 6 einer Niederdruckstufe eingebaut ist.

45 Die Läuferkammer 5 wird durch eine obere Abdeckung 7, die oberhalb des Läufers 2 angeordnet ist, und eine unterhalb des Läufers 3 angeordnete untere Abdeckung 8 begrenzt. Vorhanden sind weiterhin auch noch die beweglichen Führungsschaufeln 10, mit denen der jeweils zutreffende so Öffnungszustand der Einlauföffnung am radialen Aussenteil des Läufers 2 zwischen der oberen Abdeckung 7 und der unteren Abdeckung 8 eingestellt werden kann. Eine Einstellmechanik 11 — diese ist zum Betätigen der Führungsschaufeln bestimmt — ist mit den oberen Enden der oberen Zapfen 55 10a der Führungsschaufeln 10 verbunden. Das Öffnen und Schliessen der Führungsschaufeln 10 wird über einen Führungsring 12 der Einstellmechanik 11 in bekannter Weise bewerkstelligt.

In einem spiralförmigen Gehäuse 14 sind die Führungs-60 schaufeln 10 von stationären Schaufeln 13 umgeben, die mit dem Gehäuse 14 in einem Stück gearbeitet sind. Eine untere Abdeckung 16, zu welcher die damit in einem Stück gearbeiteten Schaufeln 15 gehören, ist unter dem Läufer 3 angeordnet. Der untere Teil der Abdeckung 16 steht mit einem Ab-65 laufrohr 17 in Verbindung. Ein Leitring 18, der zwischengeschaltet ist, weist mehrere Rücklaufschaufeln 19 auf, der Durchlass zwischen den Rücklaufschaufeln 19 bildet einen Teil eines Rücklaufwegs 20.

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Zwischen dem Leitring 18 und der unteren Abdeckung

16 ist ein Aussengehäuse 21 angebracht und bildet einen weiteren Teil des Rücklaufwegs 20.

Die Wasserabdichtungsvorrichtung 22, die zwischen der zum Läufer 2 gehörenden Radscheibe 2a und der oberen Abdeckung 7 vorhanden ist, bildet einen Labyrinthkanal 24, der zwischen der Beschichtung 23 der oberen Abdeckung 7 und einem Dichtungsring 2b der Radscheibe 2a angeordnet ist. In ähnlicher Weise ist die Wasserabdichtungsvorrichtung 25 zwischen der zum Läufer 3 gehörenden Radscheibe 3a und dem dazwischen angeordneten Leitring 18 angeordnet. Die Wasserabdichtungsvorrichtung 25 einen Labyrinthkanal 26, der zwischen dem Leitring 18 und einem Dichtungsring 3b der Radscheibe 3a vorhanden und angeordnet ist.

Für die Hochdruckstufe ist eine Entleerungskammer 28 in den in Radialrichtung gelegenen inneren Teil der Abdichtungsvorrichtung 22 des Läufers 2 vorhanden. Durch die Radscheibe 2a des Läufers 2 ist ein Entleerungsdurchlass 29 gebohrt, der den unteren Teil der Radscheibe 2a mit der Entleerungskammer oder Ausblaskammer 28 verbindet. An den oberen Teil der Entleerungskammer 28 angeschlossen ist wiederum das Ende 30a eines Entleerungsrohres 30, durch welches die im Inneren der Kammer 28 befindliche Luft abgeführt werden kann. Eine ähnliche Entleerungskammer ist auch für die Niederdruckstufe vorgesehen. Diese Entleerungskammer 31 befindet sich im radial inneren Teil der zum Läufer 3 gehörenden Wasserabdichtungsvorrichtung 25. Ein Entleerungsdurchlass 32 ist durch die Radscheibe 3a des Läufers 3 gebohrt. Dieser Durchlass 32 verbindet den unteren Teil der Radscheibe 3a mit der Entleerungskammer 31. Mit ihrem oberen Teil wiederum steht die Entleerungskammer 31 mit einem Entleerungsdurchlass 33 in Verbindung, welcher durch den zwischengeschalteten Leitring 18 und dessen Rückführungsschaufel 19 gebohrt ist. An den Entleerungsdurchlass angeschlossen ist ein Entleerungsrohr 34, über das die im Inneren der Entleerungskammer 31 enthaltene Luft abgeführt werden kann.

Die Entleerungsventile 30V, 34V sind jeweils in die Entleerungsrohre 30 und 34 eingebaut. Das eine Ende eines Messrohres 51 ist in einem vorgegebenen Bereich der oberen Abdeckung 7 der Läuferkammer 7 der Hochdruckseite derart angeordnet, dass dort der jeweilige Stand des von der Aussenseite zur Innenseite der zum Läufer 2 gehörenden Gegendruckkammer bzw. Staudruckkammer fliessenden Wassers erfasst werden kann. Das Messrohr 51 ist mit seinem anderen Ende an ein Messrelais 52 angeschlossen, dessen Ausgangssignal dem Entleerungsventil 34V zugeführt und aufgeschaltet wird. Wenn die zuvor beschriebene zweistufige Pumpenturbine als Turbine arbeitet, dann fliesst von der Turbinenleitung aus — diese Turbinenleitung ist nicht dargestellt — das Wasser in das Spiralgehäuse 14 der Wasserkraftmaschine hinein. Dieses Wasser strömt dann zwischen den Führungsschaufeln 10 hindurch, durch den Läufer oder Rotor 2, durch die Rücklaufleitung 20 und durch den Läufer 3, um schliesslich durch das Ablaufrohr 17 aus der Turbine herauszuströmen.

Wird demgegenüber die zweistufige Pumpenturbine als Pumpe betrieben, dann fliesst das Wasser vom Ablaufrohr

17 aus zur Turbinenleitung, und zwar entlang einem gegenüber dem Turbinenbetrieb umgekehrten Weg. Nachstehend soll nun das Starten und Inbetriebnehmen der zuvor beschriebenen zweistufigen Pumpenturbine als Pumpe ausführlich beschrieben werden:

Fig. 2 zeigt, dass in die Läuferkammer 5 der Hochdruckstufe durch ein (nicht dargestelltes) Druckluftzuführungsrohr dann Druckluft eingeblasen wird, wenn die Führungsschaufeln 10 vollständig geschlossen sind. Das hat wiederum zur Folge, dass das in der Läuferkammer 5 oder unter diesem befindliche Wasser unter die Läuferkammer 6 gedrückt wird, und zwar zwischen den Rücklaufschaufeln 19 und durch die Rücklaufleitung 20. Das Wasser kann dabei möglicherweise den im Ablaufrohr 17, das unter der Läuferkammer 6 liegt, dargestellten Wasserstand WL erreichen. Das hat zur Folge, dass die Läufer 2 und 3 einen geringeren Drehbewegungswiderstand haben und in Luft als Pumpe mit einem Anlasser kleiner Leistung gestartet und eingeschaltet werden können. Nach dem Einschalten und Starten wird die zweistufige Turbinenpumpe an ein Starkstromnetz geschaltet, während gleichzeitig über das Entleerungsrohr 30 das Absaugen der Luft beginnt. Das Fortschreiten des Luftabsaugvorganges bewirkt, dass der Wasserspiegel WL im Ablaufrohr 17 ansteigt und schliesslich den Läufer 3 erreicht. • Das den Läufer 3 erreichende Wasser wird von der Zentrifugalkraft des sich drehenden Läufers 3 in Radialrichtung nach aussen geschleudert und füllt die Rücklaufleitung 20, die in Fig. 3 dargestellt ist. Während dieses Vorgangs bleibt Luft im mittleren Teil des Läufers 3, weil das spezifische Gewicht von Luft sehr viel kleiner als das von Wasser ist. Die Aussenfläche der verbleibenden Luft wird somit von einem Wall aus Wasser eingeengt. Das Weiterführen des Luftabsaugvorganges hat zur Folge, dass der Wasserspiegel WL ansteigt und schliesslich den Läufer 2 erreicht. Auch hier wird das Wasser von der Zentrifugalwirkung des sich drehenden Läufers 3 radial nach aussen geschleudert. Weil nun aber die Führungsschaufeln 10 vollständig geschlossen sind, bewegt sich das Wasser in der Läuferkammer entlang der Innenwandung. Schliesslich bewegt sich die Oberfläche des Wasserwalles allmählich radial nach innen und erreicht dabei den in Fig. 4 wiedergegebenen Zustand.

Wenn das Volumen der in der Läuferkammer 5 enthaltenen Luft nahezu gleich dem Volumen der in der Läuferkammer 6 verbleibenden Luft ist, dann wird das Entleerungsrohr 34 der Niederdruckstufe geöffnet und mit dem Absaugen der Luft aus der Läuferkammer 6 begonnen. Das Absaugen der Luft wird fortgesetzt, wobei ein Gleichgewicht zwischen der in der Läuferkammer 5 befindlichen Wassermenge und der in der Läuferkammer 6 befindlichen Wassermenge beibehalten wird. Ist das Absaugen der Luft abgeschlossen, wird die Führungsschaufel 10 geöffnet und mit dem Pumpenbetrieb der zweistufigen Pumpenturbine begonnen. Nachstehend soll nun beschrieben werden, wie das Absaugen der Luft gesteuert und geregelt wird:

Bei einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine konventioneller Art ist und war das Abführen der verbleibenden Luft ohne Verzögerung schwierig. Zum Ausführungsbeispiel dieser Erfindung gehören jedoch die Entleerungskammern 28 und 31, die den Ausgängen der Entleerungsdurchlässe 29 und 32 — diese jeweils durch die Radscheiben 2a und 3a der Läufer 2 und 3 gebohrt — zugeordnet sind. Zur Wasserkraftmaschine dieser Erfindung gehören aber auch noch die Vorrichtungen 22 und 25 für das Absperren und Abdichten des Wassers, denen wiederum die Labyrinthdurchlässe 24 und 26 an der Aussenseite der Entleerungskammern 28 und 31 bilden, und zwar an der Rückseite der Radscheiben 2a und 3a. Die in den Läuferkammern 5 und 6 befindliche Luft kann deshalb leicht nach aussen abgeführt werden, und zwar ohne die Entlüftungsverzögerung, welche bei mehrstufigen Wasserkraftmaschinen konventioneller Art so häufig vorkommt.

Bei dem bisher beschriebenen Ausführungsbeispiel sind von den Wasserabdichtungen gebildete Labyrinthdurchlässe 24 und 26 zwischen der oberen Abdeckung 7 und dem dazwischen angeordneten Leitring 18 angeordnet. Die Erfindung beschränkt sich aber nicht auf ein Ausführungsbeispiel dieser Art. Wie aus Fig. 5 zu erkennen ist, sind eine Reihe von Rippen 36 an der Rückseite der Radscheibe 3a und am

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15

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25

30

35

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5

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radial zugeordneten Aussenteil der Entleerungskammer angeordnet. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird das Wasser von dem Druck, der von der Zentrifugalkraft der Rippen erzeugt wird, daran gehindert, in Radialrichtung in die Lücke zwischen der Radscheibe 3a und dem Leitring 18 zu strömen, und dies bringt den für das Abdichten wünschenswerten Effekt.

Was das mit Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft, so sind die Entleerungsdurchlässe 29 und 32 in einer fast parallelen Zuordnung zur Achse der Hauptwelle 1 durch die Radscheiben 2a und 3a gebohrt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung aber, beispielsweise bei dem mit Fig. 6 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel, kann der Ausgang 320 des durch den Läufer 3 der Niederdruckstufe gebohrten Entleerungsdurchlasses näher zur Hauptwelle 1 liegen als der Eingang 32; dieses Entleerungsdurchlasses, wodurch dieser mit der Hauptwelle einen bestimmten Winkel bildet.

Ein derart konstruierter Entleerungsdurchlass 32 bewirkt, dass sich von der Entleerungskammer 31 aus zur Wasserströmungsseite hin wegen der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers — verursacht durch die in Radialrichtung verschiedenartige Anordnung des Einganges 32; und des Ausganges 320 — ein Druck aufbaut. Dieser lässt das Wasser in die Entleerungskammer 31 strömen, und zwar durch die Wasserabdichtungsvorrichtung, welche nicht vollständig dicht ist, und veranlasst eine Wasserabführung durch den Entleerungsdurchlasses 32. Dadurch wiederum wird verhindert, dass das Wasser den Eingangsteil des Entleerungsdurchlasses 33 blockiert und versperrt. Ist der Läufer 3 bis zum Einlass 32, des Entleerungsdurchlasses 32 mit Wasser gefüllt, dann wird das Wasser am Eindringen in die Entleerungskammer 31 über den Entleerungsdurchlass 32 gehindert. Wie dies zuvor bereits beschrieben worden ist, kann bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die noch in der Läuferkammer befindliche Luft noch besser und noch vollständiger abgeführt werden. Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein ringförmiges Trennelement 40 in der Entleerungskammer 31 zwischen dem Eingang 33; des Entleerungsdurchlasses 33 und dem Ausgang 320 angeordnet ist. Der Aussenumfang des ringförmigen Trennelementes 40 ist mit dem Leitring 18 in einem Stück gearbeitet. Zwischen dem inneren Umfang des Trennelementes 40 und der Innenumfangsfläche des äusseren Kantenteiles des Leitringes 18 entsteht dadurch ein Ringspalt 38. Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel das Wasser in die Entleerungskammer 31 fliesst, dann fliesst dieses Wasser an dem Aussenumfang der Entleerungskammer 31 entlang, was wiederum bewirkt, dass wegen des verschiedenartigen spezifischen Gewichtes von Luft und von Wasser und wegen der in dieser Kammer 31 auf das Wasser einwirkenden Zentrifugalkraft Wasser und Luft in der Entleerungskammer 31 getrennt gehalten werden. Das aber bedeutet nichts anderes, als dass nur die Luft in der Entleerungskammer 31 durch den Ringspalt 38 nahe der Hauptwelle 1 strömen kann, und dies wiederum bedeutet, dass die Luft besser und vollständiger abgeführt werden kann.

In Fig. 8, die ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes zeigt, ist an den Entleerungsdurchlass 33 in der Entleerungskammer 31 ein L-förmiges Rohr 41 angeschlossen, wobei der Öffnungsteil 41a des Rohres 41 am höchsten innersten Teil der Entleerungskammer 31 angeordnet ist. In der Entleerungskammer 31 wird das Wasser zum Bereich des Aussenumfanges gedrückt, die Luft aber zum oberen und inneren Umfangsbereich, so dass dadurch wiederum die Luft besser und vollständiger abgeführt werden kann.

Bei den zuvor dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung angewendet bei einer zweistufigen Pumpenturbine mit beweglichen Führungsschaufeln in der Hochdruckstufe. Die Erfindung kann aber auch bei einer zweistufigen Pumpenturbine Anwendung fin-s den, bei der bewegliche Führungsschaufeln sowohl in der Hochdruckstufe als auch in der Niederdruckstufe .angeordnet und montiert sind. Die Erfindung lässt sich darüber hinaus auch bei Wasserkraftmaschinen einsetzen, die drei und mehr Stufen haben.

io Nachstehend soll nun ein Verfahren zum Betreiben von mehrstufigen Wasserkraftmaschinen ausführlich erläutert und beschrieben werden:

Für die Beschreibung sei angenommen, die mit Fig. 1 dargestellte zweistufige Turbinenpumpe habe den in Fig. 4 15 wiedergegebenen Betriebszustand erreicht.

Das Abführen oder Absaugen der Luft aus der Läuferkammer 5 der Hochdruckstufe bewirkt, dass das Volumen der darin verbleibenden Luft nach und nach kleiner wird und schliesslich gleich dem Luftvolumen wird, das in der 20 Läuferkammer 6 der Niederdruckstufe verbleibt. Dieser Zustand wird von dem Messrohr 51 erfasst, dessen vorgegebene Position der Radialposition entspricht, in welcher die genannten Volumen gleich sind. Diese Position wird durch Berechnung oder durch Experiment ermittelt, wie dies den 25 Fachleuten bekannt ist. Die Gleichheit der genannten Volumen wird vom Messrelais 52 über das Messrohr 51 festgestellt, wobei das Relais 52 ein Ausgangssignal erzeugt, welches das Entleerungsventil 34V öffnet. Nun wird die noch in der Läuferkammer 6 der Niederdruckstufe befindliche Luft 3o über den Entleerungsdurchlass 33 und über das Entleerungsrohr 34 abgeführt. Hier sei angenommen, dass jeder Entleerungsweg von einer Entleerungskammer zur Aussenatmo-sphäre hin annähernd die Form einer Absaugdüse besitze und dass es sich bei der die Düse passierenden Luft um ein 35 ideales und sich adiabatisch ausdehnendes Gas handle. Der Gesamtdruck P0 der in der Läuferkammer enthaltenen Luft kann als ein statischer Druck Pso betrachtet werden, weil die Strömungsgeschwindigkeit der in der Läuferkammer enthaltenen Luft viel kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit 40 der Luft, welche durch die Düse strömt. Der kritische Druck kann aus diesem Grunde mit der nachstehend angeführten Gleichung (1) berechnet und bestimmt werden:

45 p = p

KC *0

50

■P* P

SO

(!)

55 In der Gleichung steht das Symbol K für die spezifische Wärme oder Stoffwärme. (In diesem Falle ist die spezifische Wärme K für Luft » 1.40).

Weil das Ende des Entleerungsweges zu Atmosphäre hin offen ist, wird der Gegendruck oder Staudruck der Düse 60 gleich P2 = 1 (kg/cm2).

Wenn der Wert von Pso unter Verwendung der Gleichung (1) berechnet und bestimmt werden soll, und zwar mit Pc = P2, dann wird Pso wie folgt berechnet und bestimmt:

65 Ps0 = 1.89 (kg/cm2) = 18.9 (Meter Wassersäule).

Bei einer mehrstufigen Pumpenturbine ist im allgemeinen eine erzwungene Druckhöhe oder ein erzwungener Druck

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6

von 20 m mindestens vorgesehen. Der kritische Druck Pc beträgt dann in jeder Druckstufe

Pc>P2-

Aus diesem Grunde ist auch Strömungsmenge GS (kg/s) s der aus der Düse austretenden Luft begrenzt durch die Strömungsmenge der Luft im engsten Querschnittsbereich der Düse (Engstellenposition). Die Strömungsmenge GS wird an dieser Stelle deswegen mit der nachstehend angeführten Gleichung (2) bestimmt:

GS = Ac

~ K + 1

K + 1

K - 1

SO

(2)

In die Gleichung eingesetzt sind: Ac für den Querschnittsbereich an der engsten Stelle, r für das spezifische Gewicht von Luft und g für die Erdbeschleunigung.

Die Entleerungszeit wird deshalb mit der nachstehend angeführten Gleichung (3) bestimmt und berechnet, wobei für diese Zeit t eingesetzt wird:

t =

V

GS

V

Ac

I

_ K + 1 K - 1

K + 1

Pso

= C

1/

Pso

(3)

In diese Gleichung sind die nachstehend angeführten Grössen eingesetzt:

V = Volumen der abzuführenden Luft, v = spezifisches Volumen,

C = Konstante mit

C = Ac

K + 1

Bei einem idealen Gas gilt:

Pso -v = R • To = konstant.

Damit aber ist verständlich, dass die Entleerungszeit t in jeder Druckstufe dem Volumen V der dort vorhandenen Luft proportional ist.

Das Entleerungsventil 34V wird aus diesem Grunde dann geöffnet, wenn das Volumen der in der Läuferkammer 5 der Hochdruckstufe vorhandenen Luft gleich dem Volumen der in der Läuferkammer 6 der Niederdruckstufe vorhandenen

40

Luft wird, wobei die beiden Entleerungsvorgänge aus den zuvor beschriebenen Gründen zur gleichen Zeit beendet sind.

Bei dem in Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel 45 wird der Zustand der Gleichheit zwischen dem Volumen VH und dem Volumen VL von einem Messrohr 51 erfasst. Vom Messrohr 51 wird dazu die Oberfläche des Wassers kontrolliert, das vom Aussenumfang der Gegendruckkammer des Läufers 2 der Hochdruckstufe aus nach innen strömt. Diese so Gegendruckkammer ist zwischen der entsprechenden Radscheibe 2a und der oberen Abdeckung 7 gebildet. An der Stelle des Messrohres kann aber auch ein auf Druck ansprechender Schalter für das Erfassen der Gleichheit der genannten Volumen V verwendet werden, der dann die Veränderun-55 gen des statischen Druckes in der zum Läufer 2 der Hochdruckstufe gehörenden Gegendruckkammer feststellt.

Wenn ferner die Druckhöhe im Ablaufrohr 17 sich stark verändert, weil sich der Wasserspiegel im unteren Reservoir verändert, können in mehreren verschiedenen Radialpositio-60 nen in der genannten Gegendruckkammer Messrelais angeordnet werden, wobei dann eines der Messrelais in Abhängigkeit vom statischen Druck in der Ablaufleitung 17 ausgewählt und zur Kontrolle verwendet wird.

Es ist klar, dass an den zuvor beschriebenen Ausfüh-65 rungsformen der Wasserkraftmaschine zusätzliche Änderungen vorgenommen werden können und dass die Erfindung auch durch ein anderes Ausführungsbeispiel realisiert werden kann.

4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Mehrstufige, vertikalachsige Wasserkraftmaschine mit Läufern (2,3), die jeweils eine Radscheibe (2a, 3a) aufweisen, und mit Läuferkammern (5, 6), die jeweils einen der Läufer (2,3) aufnehmen, wobei jede Läuferkammer (5,6) mit derjenigen der darauffolgenden Stufe über einen Rücklaufweg (20) strömungsmässig verbunden ist, mit einer die einzelnen Läufer (2, 3) tragenden Hauptwelle (1), mit einer oberen Läuferkammer-Abdeckung (7), die oberhalb des Läufers (2) der Stufe höchsten Druckes angeordnet ist, mit einem jeweils zwischen einer der Läuferkammern (5, 6) und deijenigen der nächsten Stufe angeordneten, einen Teil des genannten Rücklaufweges begrenzenden Leitring (18), sowie mit einer ersten Einrichtung (28,29,30) zum Abführen der in der Läuferkammer (5) der Stufe höchsten Druckes beim Anfahren der Maschine befindlichen Luft, gekennzeichnet durch bewegliche, ausserhalb der Läuferkammer (5) der Stufe höchsten Druckes angeordnete Führungsschaufeln (10), jeweils zweite Einrichtungen (31, 32,33,34) zum Abführen der jeweils in der Läuferkammer (6) der bzw. jeder der übrigen Stufe(n), ausgenommen der Stufe höchsten Druckes, befindlichen Luft und durch jeweils eine Wasserabdichtungsvorrichtung (22,25) an der Rückseite der Radscheibe (2a, 3a) der Läufer (2,3) für jede der Stufen, wobei jede der genannten zweiten Einrichtungen (31,32,33,34) einen Rad-scheiben-Entleerungsdurchlass (32) in Form einer Bohrung in der Radscheibe (3a) von der Wasserseite des Läufers (3) zu der Rückseite desselben, eine Entleerungskammer (31) in der Läuferkammer (6) der betreffenden Stufe am Austrittsende dieses Entleerungsdurchlasses (32), einen Leitring-Entleerungsdurchlass (33) in Form einer von der genannten Entleerungskammer (31) ausgehenden Bohrung im jeweiligen Leitring (18) zwischen den Stufen und eine mit dem Ausgang des Leitring-Entleerungsdurchlasses (33) in Verbindung stehende Vorrichtung (34) zum Abführen der in der Entleerungskammer (31) der Stufe befindlichen Luft zur Aussenseite der Maschine umfasst, und wobei ferner die Wasserabdichtungsvorrichtung (22,25) jeweils in der Läuferkammer der betreffenden Stufe in einem in Radialrichtung gesehenen äusseren Teil der entsprechenden Entleerungskammer (31) angeordnet ist.
2. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserabdichtungsvorrichtungen (25) der genannten übrigen Stufe(n) jeweils einen zwischen dem Leitring (18) und der Radscheibe (3a) der betreffenden Stufe angeordneten Labyrinthdurchlass (26) aufweisen.
3. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserabdichtungsvorrichtungen (25) der genannten übrigen Stufe(n) jeweils mehrere Rippen (36) aufweisen, welche radial an der Rückseite der Radscheibe (3a) angeordnet sind (Fig. 5).
4. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Radscheiben-Entleerungsdurchlässe (32) der genannten übrigen Stufen jeweils so angeordnet sind, dass ihr Ausgang näher zur Hauptwelle (1) liegt als ihr Eingang und ihre Mittellinie im Winkel zur Hauptwelle liegt.
5. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerungskammern (31) der genannten übrigen Stufen jeweils ein ringförmiges Trennelement (40) zwischen einem Ausgang der Entleerungskammer und dem Ausgang des Entleerungsdurchlasses aufweisen, wobei dieses Trennelement an der Aussenwand der Entleerungskammer befestigt ist, derart, dass ein Ringspalt (38) zwischen einem inneren Umfangsteil dieses Trennelementes und einem inneren Umfangsteil der Entleerungskammer gebildet wird (Fig. 7).
6. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die genannten zweiten Einrichtungen (31,

32, 33, 34) zum Luftabführen in den genannten übrigen Stufen jeweils ein in die Entleerungskammer (31) hineinragendes Entleerungsorgan (41) aufweisen, wobei dieses Entleerungsorgan eine nach oben gerichtete Öffnung aufweist (Fig. 8). s 7. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (51, 52) zur Erfassung des in der Läuferkammer (5) der Stufe höchsten Druckes verbleibenden Luftvolumens, wobei diese Vorrichtung eine Vorrichtung (52) zum Erzeugen eines Ausgangssignals, wenn io das erfasste Volumen einen vorgegebenen Wert erreicht, aufweist, und durch eine Vorrichtung (34V) zur Regelung des Abführens der Luft aus der Läuferkammer einer der genannten übrigen Stufen in Abhängigkeit von dem genannten Ausgangssignal.

15 8. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Vorrichtung (51,52) zur Erfassung des Luftvolumens die Lage der Oberfläche des Wassers erfasst, welches im Betrieb vom äusseren Umfang einer zwischen der entsprechenden Radscheibe (2a) und der obe-20 ren Abdeckung (7) gebildeten Gegendruckkammer des Läufers der Stufe höchsten Druckes aus nach innen fliesst.
9. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (51,52) zur Erfassung des Luftvolumens ein Messrelais (52) aufweist. 25 10. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Vorrichtung zur Erfassung des Luftvolumens den Druck in der genannten Gegendruckkammer des Läufers der Stufe höchsten Druckes erfasst.
11. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch ge-30 kennzeichnet, dass die genannte Vorrichtung (51, 52) zur Erfassung des Luftvolumens einen auf Druck ansprechenden Schalter aufweist.
12. Wasserkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Vorrichtung (34V) zur Re-

35 gelung des Abführens der Luft ein in die genannte zweite Luftabführeinrichtung (31, 32,33, 34) eingegliedertes Entleerungsventil aufweist.
13. Verfahren zum Betreiben einer Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es die fol-

40 genden Einzelschritte aufweist:

— das vollständige Schliessen der zur Stufe höchsten Druckes der Maschine gehörenden Führungsschaufeln (10),

— das Zuführen von Luft in jede Läuferkammer bis zum Absinken des Wasserspiegels unter den des Läufers (3) der

45 Stufe niedrigsten Druckes, so dass sich das Wasser und dieser Läufer (3) nicht mehr berühren,

— das Starten der Drehbewegung der Läufer in Luft,

— das Abführen der Luft aus der Läuferkammer (5) der Stufe höchsten Drucks der Maschine, so dass das Wasser so über den Rücklaufweg (20) in die Läuferkammer dieser Stufe gelangt,

— das Erfassen des Volumens der noch in der Läuferkammer (5) der Stufe höchsten Druckes der Maschine verbleibenden Luft und das Abführen der Luft aus der bzw. den

55 Läuferkammer(n) (6) der genannten übrigen Stufe(n) der Maschine, wenn das Volumen der verbleibenden Luft in der Läuferkammer (5) der Stufe höchsten Druckes einen vorgegebenen Wert erreicht hat.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich-60 net, dass für das Erfassen des genannten Luftvolumens die

Lage der Oberfläche des Wassers erfasst wird, das sich vom äusseren Umfang einer zwischen der Radscheibe (2a) und der oberen Abdeckung (7) gebildeten Gegendruckkammer des Läufers (3) der Stufe höchsten Druckes aus nach innen 65 bewegt.
15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass für das Erfassen des genannten Luftvolumens der Druck in einer zwischen der Radscheibe (2a) und der oberen

3

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Abdeckung (7) gebildeten Gegendruckkammer des Läufers (3) der Stufe höchsten Druckes erfasst wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13,14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgegebene Wert gleich der Summe der Luftvolumen in den Läuferkammern der genannten übrigen Stufen der Maschine ist oder dem Luftvolumen in der Läuferkammer (6) der zweiten Stufe bei einer zweistufigen Maschine entspricht.