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Die Erfindung betrifft eine mehrstufige hydraulische Maschine mit einer Mehrzahl von Stufen, die jeweils ein Laufrad umfassen, welches drehfest mit einer Welle der hydraulischen Maschine verbunden oder verbindbar ist.
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Unter hydraulischen Maschinen werden beispielsweise Pumpen, wie als Radialpumpen ausgeführte Speicherpumpen verstanden. Neben Speicherpumpen können hydraulischen Maschinen auch als Pumpturbinen beispielsweise in Pumpspeicherkraftwerken oder sonstigen Anlagen Verwendung finden.
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Bei hydraulischen Maschinen gibt es eine Vielzahl von möglichen Anordnungen und Typen von Lagern. Letztere haben im allgemein die Aufgabe Wellenkräfte aufzunehmen und die Welle einer solchen hydraulischen Maschine im Betrieb in einer möglichst zentrischen Position betriebssicher zu führen.
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Bei mehrstufigen gattungsgemäßen Radialpumpen mit durchgehenden Wellen ist zum Beispiel die Anordnung von zwei Lagern, den Wellen- oder Führungslagern, an den Wellenenden üblich. Die Spaltdichtungen zwischen den Stufen wirken dabei nach Art von zusätzlichen Wellenlagern stabilisierend auf die sich im Betrieb drehende Welle der hydraulischen Maschine.
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In der Praxis hingegen hat sich gezeigt, dass die Stützwirkung der Spaltdichtungen nicht immer ausreichend ist. Dies liegt daran, dass die heutigen Belastungsanforderungen insbesondere an Speicherpumpen stark gestiegen sind. So sind zum Beispiel die Jahresbetriebsstunden und die Anzahl von An- und Ausfahrvorgängen nicht vergleichbar mit denen von früheren Anlagen.
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Diese instationären Vorgänge verursachen bei gattungsgemäßen hydraulischen Maschinen durch Vibrationen und große Auslenkungen der Welle eine schnelle Abnutzung der Spaltdichtungen. Dies hat eine Senkung des Pumpenwirkungsgrades, eine Erhöhung der Axialkräfte beziehungsweise eine Verkürzung der Wartungsintervalle einer solchen hydraulischen Maschine zur Folge.
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Durch die größtenteils vorgegebene Hydraulik, insbesondere der mehrstufigen Speicherpumpe, sind auch die geometrischen Abmessungen und die Betriebsparameter des Wellenstrangs nahezu vorgegeben, denn:
- – die Wellenlänge wächst mit der Anzahl der Stufen der Speicherpumpe
- – der Wellendurchmesser ist durch den Laufrad-Saugmunddurchmesser begrenzt
- – die Nenndrehzahl wird hoch gelegt, um eine kompakte Konstruktion und hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
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Dies führt zu großen Lagerabständen zwischen den beiden an den Wellenenden der Welle angeordneten Lagern und zu relativ dünnen Wellen, die niedrige biegekritische Drehzahlen aufweisen. Dies in Verbindung mit hohen Betriebsdrehzahlen führt zu einer instabilen Wellendynamik und damit zu Resonanzgefahr.
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Die biegekritische Drehzahl wird dabei hauptsächlich beeinflusst durch:
- – die Biegesteifigkeit der Welle
- – die Masseneigenschaften der rotierenden Teile der hydraulischen Maschine
- – die Federsteifigkeit der Wellenlager
- – den Lagerabstand
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Die Biegesteifigkeit der Welle und die Masse der rotierenden Teile sind aus den vorher genannten Gründen vorgegeben. Der Federsteifigkeit der äußeren Wellenlager hat einen relativ geringen Einfluss auf die Dynamik, weil die erste Biegeeigenform vor allem durch die Biegesteifigkeit der Welle dominiert ist.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche gattungsgemäße hydraulische Maschine.
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Es wurden in der Vergangenheit zahlreiche Anstrengungen unternommen, um diese negativen Auswirkungen der Wellendynamik und die daraus resultierenden Nachteile zu verbessern. Diese Maßnahmen waren zwar zu einem gewissen Grad erfolgreich, jedoch ist eine Verbesserung der Wellendynamik in solchen hydraulischen Maschinen wünschenswert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige hydraulische Maschine, welche die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Insbesondere soll der Verschleiß der rotierenden Teile einer solchen hydraulischen Maschine verringert werden, dafür die Laufruhe, die Steifigkeit und die Dämpfungsfähigkeit der Wellenlagerung einer solchen hydraulischen Maschine erhöht werden.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
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Demgemäß umfasst eine mehrstufige hydraulische Maschine eine Druckleitung und eine Saugleitung zum Zuführen eines Arbeitsmediumvolumens zur hydraulischen Maschine und zum Abführen desselben hieraus sowie eine Mehrzahl von Stufen, mit jeweils einem Laufrad, welches drehfest mit einer Welle der hydraulischen Maschine verbunden oder verbindbar ist/sind. Dabei ist wenigstens ein Zwischenlager zur Abstützung der Welle, welches im Bereich einer Stufe oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen angeordnet ist, vorgesehen, wobei das Zwischenlager zu dessen Kühlung und/oder Schmierung mit einem Teilvolumen aus dem Arbeitsmediumvolumen der hydraulischen Maschine beaufschlagbar ist und das Teilvolumen dem Arbeitsmediumvolumen im Bereich der Druckleitung oder im Bereich einer Stufe entnommen und dem Zwischenlager direkt oder über eine Zuführleitung zugeführt wird.
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Dabei bedeutet eine direkte Zuführung beispielsweise, dass das Zwischenlager derart im Gehäuse angeordnet ist, dass es und insbesondere dessen Lagerspalt von dem Teilvolumen an-, um- oder durchströmt wird. Insbesondere bei Ausführung des Zwischenlagers als hydrodynamisches Gleitlager kann dann auf eine solche Zuführleitung verzichtet werden.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird unter Arbeitsmedium jenes Medium verstanden, das der hydraulischen Maschine zuführbar ist und dem Energie infolge des Betriebes der hydraulischen Maschine unmittelbar zu- oder abgeführt werden kann. Dem zwischen Saugleitung und Druckleitung der hydraulischen Maschine strömenden Arbeitsmediumvolumen, auch als Hauptstrom bezeichnet, wird dann je nachdem ob die hydraulische Maschine nach Art einer Arbeitsmaschine (Pumpe) oder Kraftmaschine (Turbine) arbeitet, Arbeit in Form von Energie entweder von außen zugeführt oder entzogen und als nach außen gerichtete mechanische Arbeit abgegeben. Das Teilvolumen oder der Teilvolumenstrom ist dann jene Menge an Arbeitsmedium, die eben dem Hauptstrom entnommen wird.
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Die Welle der hydraulischen Maschine, mit der die Laufräder der einzelnen Stufen zusammen umlaufen, kann dabei die einzige Welle sein. Mit aufeinanderfolgenden Stufen sind vorliegend jene Stufen gemeint, welche aufeinanderfolgend ohne Zwischenschaltung weiterer Stufen miteinander strömungsleitend verbunden sind. Dazu kann die Druckseite (Druckleitung) der vorausgehenden Stufe mit der Saugseite (Saugleitung) der nachfolgenden Stufe strömungsleitend verbunden sein. Unter der vorausgehenden Stufe wird dabei jene Stufe verstanden, deren sie durchströmendes Arbeitsmedium einen geringeren Arbeitsdruck aufweist als jenes in der nachfolgenden Stufe. Man könnte auch sagen, dass aufeinanderfolgende Stufen jene Stufen sind, die direkt aneinander angrenzen.
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Gemäß einem Gedanken der Erfindung ist die eine Stufe eine saugseitige Stufe, sodass das sie durchströmende Arbeitsmedium einen höheren Druck aufweist als jener, der in der Saugleitung vorherrscht. Bei einer fünfstufigen hydraulischen Maschine könnte die saugseitige Stufe damit die erste, zweite oder dritte Stufe, die in dieser Reihenfolge nach der Saugleitung folgt, sein. Anders ausgedrückt, kann die saugseitige Stufe eine insbesondere erste Niederdruckstufe, die sich direkt an die Saugleitung anschließt oder eine dieser Niederdruckstufe nachgeschaltete Stufe sein.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung kann die eine Stufe in dessen Bereich das Zwischenlager zur Abstützung der Welle angeordnet ist, eine druckseitige Stufe sein, sodass das sie durchströmende Arbeitsmedium einen niedrigeren Druck aufweist als jener, der in der Druckleitung vorherrscht. Rein beispielhaft könnte es sich um die direkt auf die Druckleitung folgende erste Hochdruckstufe oder eine sich an die Hochdruckstufe insbesondere (konstruktiv oder arbeitsmediumleitend) unmittelbar anschließende Stufe handeln.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist das Zwischenlager als hydrostatisches Gleitlager ausgebildet. Unter einem hydrostatischen Gleitlager wird ein solches Lager verstanden, bei dem zum Tragen der umlaufenden Welle der hydraulischen Maschine ein Schmierfilm (Schmierkeil) ausgebildet wird, der durch ständiges Zuführen von unter Druck stehendem Lagerschmierstoff entsteht und aufrecht erhalten wird. Der erforderliche unter Druck stehende Lagerschmierstoff wird dabei in einen Lagerspalt zwischen der abzustützenden Welle und einem die Welle umgebenden Lagerkörper von einer externen Druckversorgung zur Verfügung gestellt.
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Damit stellt das Arbeitsmedium der hydraulischen Maschine zugleich den Lagerschmierstoff zur Kühlung- und Schmierung des Zwischenlagers dar.
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Ist das Zwischenlager als hydrostatisches Gleitlager ausgeführt, so wird der Teilvolumen dem Gleitlager über die Zuführleitung zugeführt. Demnach stellt die Zuführleitung einen Teil einer solchen externen Druckversorgung dar. Natürlich wäre es denkbar, dass in der Zuführleitung eine zusätzliche Fördereinrichtung wie eine Pumpe vorgesehen ist, welche den zum Tragen der Welle nötigen Schmierdruck zur Verfügung stellt und im Betrieb der hydraulischen Maschine, aufrechterhält. Eine solche Fördereinrichtung ist jedoch nicht zwingend notwendig. Sie kann jedoch in dem Fall vorgesehen sein, in welchem der der einen Stufe oder der Druckleitung abgezweigte Teilvolumenstrom nicht den zum Betrieb des hydrostatischen Gleitlagers nötigen Druck aufweist. Insbesondere wirkt die Fördereinrichtung in diesem Falle unterstützend.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist das Zwischenlager ein hydrodynamisches Gleitlager. Darunter wird ein Gleitlager verstanden, bei dem der tragende Druck für die Lagerung nicht aufgrund eines Druckes aus einer externen Druckversorgung stammt, sondern infolge der Pumpwirkung der den Lagerspalt bildenden Flächen selbst. Letztere bilden bei der Umdrehung der Welle zwischen sich einen Schmierfilm (Schmierkeil) aus, in den das abgezweigte Teilvolumen hinein transportiert wird und dabei eine Druckerhöhung erfährt. Auch hier ist der Lagerschmierstoff des hydrodynamischen Gleitlagers das Arbeitsmittel der hydraulischen Maschine. Mit Vorteil kann das dem hydrodynamischen Gleitlager zugeführte Teilvolumen einen deutlich niedrigeren Druck aufweisen, als dies der Fall für den Betrieb eines hydrostatischen Gleitlagers nötig ist. Damit kann das dem Hauptstrom entnommene Teilvolumen auch aus vergleichsweise niedrigeren Stufen oder der Saugleitung der hydraulischen Maschine stammen. Die für den Betrieb des hydrodynamischen Gleitlagers benötigte Menge an Lagerschmierstoff kann dem Lagerspalt im Betrieb der hydraulischen Maschine kontinuierlich oder periodisch zugeführt und aus diesem wieder abgeführt werden. Alternativ kann das hydrodynamische Gleitlager auch so ausgeführt sein, dass die für den Betrieb der hydraulischen Maschine benötigte Menge an Lagerschmierstoff bereits darin enthalten ist oder erst vor Betrieb der hydraulischen Maschine diesem zugeführt wird. In beiden Fällen wird durch eine arbeitsmediumdichte Ausführung des hydrodynamischen Gleitlagers ein Übertritt von im Lagerspalt enthaltenen Arbeitsmediums nach außen hin vermieden. Für den Fall, dass das hydrodynamische Gleitlager bei jedem Anlaufvorgang der hydraulischen Maschine stets neu befüllt wird, gelangt dann ein Teilvolumen an Arbeitsmedium vor oder beim Anlaufen der hydraulischen Maschine in den Lagerspalt. Durch das Umlaufen der Welle bildet sich dann der tragfähige hydrodynamische Schmierfilm in dem Lager aus.
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Um eine kompakte Bauweise des Zwischenlagers insbesondere in Axial- und/oder Radialrichtung der Welle der hydraulischen Maschine zu erreichen, kann das Zwischenlager im Bereich eines Umlenkers einer Stufe oder zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen angeordnet sein. Der Umlenker dient dabei zur Umlenkung der Arbeitsmediumströmung zwischen zwei benachbarten Stufen. Er stellt dabei bevorzugt ein stationäres Bauteil dar, welches mittelbar oder unmittelbar an einem Gehäuse der hydraulischen Maschine, auch Pumpengehäuse genannt, das die Stufen wenigstens teilweise umgibt, abgestützt ist. Das Gehäuse kann wiederum an einem äußeren stationären Teil, insbesondere zur hydraulischen Maschine gehörendem Teil, wie einem Fundament, abgestützt und insbesondere in dieses integriert, zum Beispiel eingegossen, sein. Das Zwischenlager kann dabei im Bereich des Umlenkers und bevorzugt radial innerhalb des Umlenkers oder radial innerhalb des Laufrads der einzelnen Stufe angeordnet sein. Es kann auch integral mit dem Umlenker ausgeführt sein. Ein solches Zwischenlager kann auch jeder Stufe der hydraulischen Maschine zugeordnet sein.
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Wenn das Zwischenlager zusammen mit den Stufen innerhalb des Gehäuses der hydraulischen Maschine in den Umlenker eingebaut ist, und der Umlenker am Gehäuse abgestützt ist, wird eine hohe Struktursteifigkeit des Zwischenlagers erreicht. Aufgrund der geringen Lagerabmessungen wird die hydraulische Kontur nicht geändert, was eine kompakte Bauweise der hydraulischen Maschine ermöglicht und diesbezüglich wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.
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Der Lagerkörper des Zwischenlagers kann dabei – unabhängig davon, ob das Zwischenlager als hydrostatisches oder hydrodynamisches Gleitlager ausgeführt ist – eine radial innere und eine radial äußere Lagerschale umfassen, wobei die radial äußere Lagerschale in diesem Fall starr mit dem stationären Bauteil, hier dem Umlenker, und die radial innere Lagerschale direkt oder indirekt an der Welle abgestützt sein kann und sich somit relativ zu der radial äußeren Lagerschale gemeinsam mit der Welle dreht. Alternativ kann jedoch auf die radial innere Lagerschale verzichtet werden, indem diese beispielsweise direkt von der Welle oder von einem entsprechenden Absatz des Laufrads der entsprechenden Stufe ausgebildet wird.
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Die Zuführleitung zum Zuführen des Teilvolumens an Arbeitsmedium zu dem Zwischenlager kann beispielsweise in dem Umlenker oder einem sonstigen stationären Bauteil der hydraulischen Maschine integriert sein oder aber als separate Zuführleitung ausgeführt sein.
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In der Zuführleitung können auch starre oder im Querschnitt veränderbare Drosseln oder Ventile angeordnet sein, um einen entsprechenden Teilvolumenstrom und einen sich daraus ergebenden Betriebsdruck des Teilvolumenstroms zum Betreiben des insbesondere als hydrostatisches Gleitlager ausgeführten Zwischenlagers zu erzeugen. Auch bei Ausführung als hydrodynamisches Gleitlager können die genannten hydraulischen Einbauten vorgesehen sein. Insbesondere können der Strömungsquerschnitt der Führungsleitung und/oder der genannten Drosseln oder Ventile so starr eingestellt oder variabel einstellbar sein, dass ein zum Abstützen der Welle im Betrieb der hydraulischen Maschine entsprechender Teilvolumenstrom und dessen Druck eingestellt werden kann. In anderen Worten werden das Teilvolumen beziehungsweise der Teilvolumenstrom und damit der Druck derart eingestellt, dass sie einen im Betrieb der hydraulischen Maschine tragfähigen Schmierfilm in dem als hydrostatisches oder hydrodynamisches Gleitlager ausgeführten Zwischenlager ermöglichen.
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Das Zwischenlager kann dabei ein reines Radiallager sein.
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Neben der Schmierung des Zwischenlagers entfaltet das aus dem Hauptstrom abgezweigte Teilvolumen an Arbeitsmedium dort auch eine Kühlwirkung. Im Betrieb des Zwischenlagers entsteht Wärme, welche durch das ständig zu- und abfließen des Teilvolumens, dann als Teilvolumenstrom bezeichnet, optimal abgeführt wird. Insbesondere die hydrostatische Schmierung durch das Arbeitsmedium der hydraulischen Maschine, hier Wasser, das aus den höheren Stufen entnommen und gefiltert wird, hat gegenüber der Verwendung von Öl als Lagerschmierstoff folgende Vorteile:
- – Wasserschmierung ist gegenüber Ölschmierung umweltfreundlicher
- – das Trennen von Wasser/Öl in der Pumpe (komplizierte Dichtungskonstruktion) entfällt
- – der tragende Druck für die Lagerung wird aus dem vorhandenen Stufendruck der Pumpe entnommen, womit zusätzliche Pumpenaggregate entfallen und die Betriebssicherheit steigt
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Andere Vorteile der erfindungsgemäßen Lagerung liegen in der Verschleißfreiheit, der hohen Laufruhe und der hohen Steifigkeit und Dämpfungsfähigkeit. Durch die Einführung des Zwischenlagers wird der Lagerabstand auf die Hälfte reduziert, was die erste biegekritische Drehzahl nahezu verdoppelt und dadurch das Problem der instabilen Wellendynamik eliminiert. Weitere Vorteile des reduzierten Lagerabstands sind eine Verbesserung der statischen Biegelinie (Durchbiegung) und niedrigere Biegespannungen in der Welle.
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Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist die hydraulische Maschine eine mehrstufige Speicherpumpe, Radialpumpe, Turbine oder Pumpturbine.
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Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
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1 zeigt in einem Längsschnitt durch die Welle eine bevorzugte Ausführungsform der hydraulischen Maschine, welche als Speicherpumpe ausgeführt ist.
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2 zeigt eine Detailansicht aus der 1, ebenfalls in einem Längsschnitt durch die Drehachse der Welle gesehen.
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Die in 1 dargestellte und als Speicherpumpe ausgeführte hydraulische Maschine 1 umfasst die folgenden Bauteile: Eine einzige, durchgehende Welle 3, welche hier vertikal angeordnet ist und an ihren beiden Enden jeweils mittels zweier Wellenlager 4.1, 4.2 abgestützt ist. Das erste Wellenlager 4.1 ist vorliegend als Führungslager (reines Radiallager) ausgeführt, wohingegen das zweite Wellenlager 4.2, hier unterhalb des ersten Wellenlagers 4.1 angeordnet, als kombiniertes Führungs- und Spurlager, sogenanntes Kombilager, ausgeführt ist. Es erlaubt zugleich Radial- und Axialkräfte der Welle 3 aufzunehmen. Selbstverständlich wäre es denkbar, dass zweite Wellenlager 4.2 als separates Führungslager auszuführen und zusätzlich dazu ein separates weiteres (nicht gezeigtes) Spurlager vorzusehen. Auch wären mehr als zwei der dargestellten Wellenlager 4.1, 4.2 denkbar. Im vorliegenden Fall sind die beiden Wellenlager 4.1, 4.2 außerhalb eines die Welle umgebenden Gehäuses 8, hier als Pumpengehäuse bezeichnet, angeordnet. Dies muss jedoch nicht zwingend der Fall sein.
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Innerhalb des Pumpengehäuses sind vorliegend fünf Stufen 2 angeordnet. Jede Stufe 2 umfasst dabei ein Laufrad 2.1, welches vorliegend drehfest mit der Welle 3 verbunden ist und somit gleichzeitig mit dieser um dessen Drehachse umläuft. Jedes der Laufräder 2.1 umfasst dabei eine Mehrzahl von nicht näher dargestellten Laufschaufeln.
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Hier ist die oberste Stufe, vorliegend als Hochdruckstufe bezeichnet, von einem Spiralgehäuse 14 umgeben. Spiralgehäuse 14 ist an eine schematisch dargestellte Druckleitung 11 angeschlossen oder anschließbar. An dem dem Spiralgehäuse 14 gegenüberliegenden Ende der hydraulischen Maschine 1 ist die unterste Stufe, hier als Niederdruckstufe bezeichnet, angeordnet. Letztere steht unmittelbar in arbeitsmediumleitender Verbindung mit einem Saugkrümmer 15. Der Saugkrümmer 15 ist über eine schematisch angedeutete Saugleitung 10 zum Zu- oder Abführen von Arbeitsmedium zu oder von der hydraulischen Maschine angeschlossen. Die Saugleitung 10 kann dabei in einem Reservoir 16 (Unterwasser) münden. Die Druckleitung 11 kann ihrerseits in einem Reservoir (Oberwasser) münden.
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Ein Arbeitsmediumvolumen strömt damit bei Ausführung als Speicherpumpe in Pfeilrichtung von der Saugleitung 10 zur Druckleitung 11 durch die hydraulische Maschine 1. Zwischen der Niederdruck- und Hochdruckstufe sind vorliegend drei weitere Stufen angeordnet. Jedoch könnten es auch mehr oder weniger als drei sein. Jede der weiteren Stufen umfasst dabei eine Saugleitung 2.3, welche hier in Bezug auf die Anströmung des entsprechenden Laufrads 2 gesehen demselbigen vorgeschaltet ist, sowie eine Druckleitung 2.4, welche in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums diesem nachgeschaltet ist. Allgemein ist jede Druckleitung der vorhergehenden Stufe (der des niedrigeren Druckes) an die Saugleitung der nachfolgenden Stufe (zu der vorangehenden Stufe höheren Druckes) angeschlossen.
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Die Funktion der Speicherpumpe gemäß 1 ist nun wie folgt: Wird die Welle 3 über einen nicht gezeigten Antrieb, wie einen Motor, in Umlauf versetzt, so wird infolge der mit der Welle 3 umlaufenden Laufräder 2 Arbeitsmedium aus dem Reservoir 16, also dem Unterwasser, über die Saugleitung 10 dem Saugkrümmer 15 zugeführt. Das so zugeführte Arbeitsmedium stellt somit das Hauptvolumen, oder den Hauptvolumenstrom durch die Speicherpumpe dar. Aus dem Saugkrümmer 15 gelangt das Arbeitsmediumvolumen über die Saugleitung 2.3 der Niederdruckstufe in selbige hinein und strömt in Richtung nach radial außen an dessen Laufrad 2 vorbei, um wieder nach radial innen Richtung Umlenker 6 zu strömen. Am Umlenker 6 der Niederdruckstufe gelangt es weiter nach radial innen und dann über die Druckleitung 2.4 der Niederdruckstufe in die Saugleitung 2.3 der weiteren nachgeschalteten Stufe, wo es wiederum nach radial außen umgelenkt wird, usw. Damit durchströmt das über die Saugleitung 10 angesaugte Arbeitsmediumvolumen nacheinander die einzelnen Stufen, bis es in der Hochdruckstufe angelangt ist und von dort über das Spiralgehäuse 14 und die Druckleitung 11 in das Reservoir 17 des Oberwassers gelangt.
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Vorliegend ist zu den beiden Wellenlagern 4.1, 4.2 ein zusätzliches Lager, hier als Zwischenlager 5 bezeichnet, vorgesehen. Letzteres ist im Gegensatz zu den Wellenlagern 4.1, 4.2 innerhalb des Gehäuses 8 angeordnet. Im vorliegenden Fall ist es in Strömungsrichtung gesehen der auf die Niederdruckstufe folgenden weiteren Stufe zugeordnet. Dabei ist das Zwischenlager 5 hier als hydrostatisches Radialgleitlager ausgeführt, wobei das zu dessen Betrieb nötige Lagerschmierstoff zugleich das Arbeitsmedium der Speicherpumpe, hier Wasser, ist. Jedoch wäre auch eine Ausführung als hydrodynamisches Gleitlager denkbar. Auch wären Ausführungen möglich, in denen mehrere Zwischenlager vorgesehen sind, wobei insbesondere jeweils einer Stufe ein Zwischenlager zugeordnet ist. In diesem Fall könnten sowohl nur hydrostatische oder nur hydrodynamische als auch beide Gleitlager Verwendung finden. Zum Einstellen eines die Welle tragenden Schmierfilms wird vorliegend aus dem Arbeitsmediumvolumen, also dem Hauptstrom, ein Teilvolumen abgezweigt. Dieses Teilvolumen strömt in einer externen Druckversorgung zu dem Zwischenlager 5, genauer gesagt zu einem von dem Zwischenlager 5 und der Welle gebildeten Lagerspalt (nicht gezeigt). Dazu wird das abgezweigte Teilvolumen über die Zuführleitung 12, welche hier gestrichelt dargestellt ist und einerseits in der Druckleitung 11 und andererseits im Bereich des Lagerspalts des Zwischenlagers 5 mündet, dem Lagerspalt zugeführt. Alternativ wäre es denkbar, das Teilvolumen für die Erzeugung des Druckes im Zwischenlager 5 nicht aus der Druckleitung 11 direkt, sondern aus dem Bereich einer Stufe 2 abzuzweigen. Dies ist mit der strichpunktierten Linie angedeutet, die von einer arbeitsmediumleitenden Stelle, beispielsweise der Druckleitung der der Hochdruckstufe vorgeschalteten weiteren Stufe abzweigt und dann in dem Zwischenlager 5 mündet. Natürlich wäre auch eine Abzweigung des Teilvolumens aus Stufen mit vergleichsweise niedrigerem Arbeitsmediumdruck als jenem, der in der Druckleitung 11 oder in der Hochdruckstufe vorherrscht, denkbar.
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Durch diese erfindungsgemäße Abzweigung von einem Teilvolumen an Arbeitsmedium insbesondere relativ hohen Druckes und Zuführung zum Zwischenlager 5 kann auf eine zusätzliche Fördereinrichtung 18, wie sie in 2 beispielhaft in Form einer Pumpe dargestellt ist, gänzlich verzichtet werden.
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Im Allgemeinen ist der abgezweigte Teilvolumenstrom gemessen am Hauptvolumen(-strom) durch die hydraulische Maschine sehr gering und nur einen Bruchteil des Hauptvolumens (Hauptvolumenstroms). Hierdurch wird der Wirkungsgrad einer solchen hydraulischen Maschine nur unwesentlich bis überhaupt nicht beeinflusst. Gleichzeitig kann aber auf zusätzliche Hilfsenergie, wie sie für den Betrieb von zusätzlichen Fördereinrichtungen nötig wäre, gänzlich verzichtet werden.
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Obwohl die in 1 dargestellte Speicherpumpe, insbesondere als mehrstufige Radialpumpe ausgeführt, dargestellt ist, könnte diese auch als mehrstufige Radialturbine und sogar als mehrstufige Pumpturbine dienen. Damit könnte nicht nur Arbeitsmedium aus dem Unterwasser ins Oberwasser gefördert werden, sondern auch umgekehrt vom Reservoir 17 in das Reservoir 16.
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In 2 ist eine Detailansicht aus 1, ebenfalls in einem Längsquerschnitt durch die Drehachse der Welle 3, dargestellt. Dort sind zwei aufeinanderfolgende Stufen dargestellt, nämlich die sich an die Niederdruckstufe anschließende weitere Stufe. 2 zeigt, dass im Bereich der sich direkt an die Niederdruckstufe anschließenden Stufe das Zwischenlager 5 angeordnet ist. Es liegt im Bereich des Umlenkers 6 zwischen den Laufrädern dieser beiden Stufen. Man erkennt auch, dass der Umlenker 6 einen Lagerkörper, hier einen einzigen Lagerkörper 7 des Zwischenlagers 5, umschließt. Lagerkörper 7 und Umlenker 6 sind im vorliegenden Fall miteinander starr verbunden und stationär, das heißt sie umlaufen nicht. Der nicht dargestellte Lagerspalt des Zwischenlagers 5 wird hier durch die radial innere Fläche des Lagerkörpers 7 und die radial äußere Fläche eines Absatzes, hier eines zylindrischen Absatzes, des entsprechenden Laufrads 2.1 begrenzt. Damit bilden Lagerkörper 7 und Absatz des Laufrad 2 vorliegend den Lagerspalt des Zwischenlagers 5 aus. Selbstverständlich könnte der Lagerspalt auch direkt von der radial inneren Fläche des Lagerkörpers 7 und der radial äußeren Mantelfläche der Welle 3 gebildet sein, also ohne Zwischenschaltung des (Absatzes des) Laufrads.
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In der linken Darstellung von 2 ist nochmals die Zuführleitung 12, wie sie in 1 abgebildet ist, gestrichelt dargestellt. Auf der rechten Seite der 2 ist eine alternative Ausführungsform der Zuführleitung 12 dargestellt. Gemäß einer ersten Variante, in der die Zuführleitung 12 strichpunktiert dargestellt ist, könnte diese einerseits in einer Stufe, welche näher an der Saugleitung 10 (1) und deshalb saugseitig angeordnet ist, münden. Hingegen würde das andere Ende der strichpunktierten Zuführleitung 12 dann im Bereich des Lagerspalts des Zwischenlagers 5 münden. In der Zuführleitung 12 könnte eine zusätzliche Fördereinrichtung 18 zum Erhöhen des Druckes vorgesehen sein. Gemäß einer zweiten Variante der alternativen Ausführungsform, in welcher die Zuführleitung 12 in ausgezogenen Linien dargestellt ist, mündet das eine Ende der Zuführleitung 12 in einem Bereich der Druckleitung 2.4 einer Stufe, die auf die mit dem Zwischenlager 5 versehenen Stufe folgt. Das zweite Ende der in ausgezogenen Linien dargestellten Führungsleitung 12 mündet wiederum im Bereich des Lagerspalts des Zwischenlagers 5. In der 2 erkennt man auch, dass das Zwischenlager 5 an einer Stelle innerhalb des Gehäuses 8 verbaut ist, welche für eine Spaltdichtung 13 bestimmt war. Die Spaltdichtung 13 kann sich dabei wie das Zwischenlager 5 am Umlenker und über diesen am Pumpengehäuse 8 und letztendlich am Fundament 9 abstützen. Wird das Zwischenlager 5 derart ausgeführt, dass die Abmessungen denen der Spaltdichtung 13 im Wesentlichen entsprechen, so kann der Bauraum der Spaltdichtung 13 verwendet werden, um das Zwischenlager 5 anstelle dieser einzubauen. So ist es denkbar, das Zwischenlager 5 auch nachträglich in das Gehäuse 8 einzubauen, indem anstelle der entsprechenden Spaltdichtung 13, die auch für jede Stufe vorgesehen sein kann, insbesondere an demselben Ort, durch Entfernen der Spaltdichtung 13 das Zwischenlager 5 montiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- hydraulische Maschine
- 2
- Stufe
- 2.1
- Laufrad
- 2.3
- Saugleitung
- 2.4
- Druckleitung
- 3
- Welle
- 4.1
- Wellenlager
- 4.2
- Wellenlager
- 5
- Zwischenlager
- 6
- Umlenker
- 7
- Lagerkörper
- 8
- Gehäuse
- 9
- Fundament
- 10
- Saugleitung
- 11
- Druckleitung
- 12
- Zuführleitung
- 13
- Spaltdichtung
- 14
- Spiralgehäuse
- 15
- Saugkrümmer
- 16
- Reservoir
- 17
- Reservoir
- 18
- Fördereinrichtung
