DE102022101640B3

DE102022101640B3 - Pumpe für ein Wasserkraftwerk

Info

Publication number: DE102022101640B3
Application number: DE102022101640.4A
Authority: DE
Inventors: Roland Meyer; Jörg Necker; Martin Giese
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2023-01-19
Anticipated expiration: 2042-01-26
Also published as: WO2023143795A1

Abstract

Pumpe umfassend einen hochdruckseitigen Wasserweg, einen niederdruckseitigen Wasserweg und ein Laufrad (1), wobei der hochdruckseitige Wasserweg ein Spiralgehäuse (2) und eine Druckrohrleitung (4) umfasst, und wobei der niederdruckseitige Wasserweg ein Saugrohr (3) umfasst, und wobei die Pumpe ein Verschlussorgan (8), welches im hochdruckseitigen Wasserweg angeordnet ist, und eine Verbindungsleitung (5) umfasst, welche den hochdruckseitigen Wasserweg mit dem niederdruckseitigen Wasserweg verbindet und so ausgebildet ist, dass durch die Verbindungsleitung Wasser von der Druckrohrleitung in das Saugrohr gelangen kann, ohne dass das Wasser dabei das Laufrad passiert, und wobei die Verbindungsleitung in Pumpenflussrichtung hinter dem Verschlussorgan vom hochdruckseitigen Wasserweg abzweigt, und wobei die Pumpe ein Ventil (6) umfasst, welches in der Verbindungsleitung angeordnet ist, und wobei die Pumpe einen Drallgeber (7) umfasst, welcher in der Verbindungsleitung angeordnet und so ausgebildet ist, dass Wasser, das in der Verbindungsleitung den Drallgeber passiert, bei der Passage desselben mit einem Drall versehen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für ein Wasserkraftwerk. Bei der Pumpe kann es sich auch um eine Pumpturbine handeln.
Eine solche Pumpe umfasst ein Laufrad, ein Spiralgehäuse sowie ein Saugrohr.
Die DE 10 2010 050 001 A1 offenbart eine solche Pumpe bzw. Pumpturbine. Diese umfasst einen Gegendrallerzeuger, welcher während des Anfahrens in Pumprichtung aktivierbar ist. Der Gegendrallerzeuger umfasst dabei eine Mehrzahl von Leitelementen bzw. von Drallerzeugungsdüsen. Dieselben sind am Auslassabschnitt des Saugrohres und um die Drehachse des Laufrades herum angeordnet.
Ferner sind aus dem Stand der Technik Pumpen mit Verbindungsleitungen zwischen dem Spiralgehäuse und dem Saugrohr bekannt. So offenbart beispielsweise die JP S57- 181 974 A eine solche Verbindungsleitung. Die in der genannten Schrift offenbarte Verbindungsleitung dient dabei der Entwässerung des Spiralgehäuses.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung anzugeben, welche in der Lage ist, einen Gegendrall zu erzeugen und einfacher ausgebildet ist als die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend dem unabhängigen Anspruch gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1 Erfindungsgemäße Pumpe
2 Drallgeber in einer ersten Ausführungsform
3 Drallgeber in einer zweiten Ausführungsform

1 zeigt eine erfindungsgemäße Pumpe in stark vereinfachter Darstellung. Die Pumpe umfasst einen hochdruckseitigen Wasserweg, einen niederdruckseitigen Wasserweg und ein Laufrad, welches mit 1 bezeichnet ist. Der hochdruckseitige Wasserweg umfasst ein Spiralgehäuse, welches mit 2 bezeichnet ist, und eine Druckrohrleitung, welche mit 4 bezeichnet ist. Dabei schließt sich die Druckrohrleitung 4 an das Spiralgehäuse 2 an. Der niederdruckseitige Wasserweg umfasst ein Saugrohr, welches mit 3 bezeichnet ist. Die Drehachse des Laufrades 1 ist in 1 durch die vertikale gestrichelte Linie angedeutet. In der Darstellung von 1 ist das Laufrad ein Francis-Laufrad. Das Laufrad kann aber genauso gut anders ausgebildet sein, beispielsweise als Kaplan-Laufrad oder als Propeller-Laufrad.
Die Pumpe umfasst ein Verschlussorgan, welches mit 8 bezeichnet ist und den Wasserfluss durch die Pumpe unterbinden kann. Dabei ist das Verschlussorgan 8 im hochdruckseitigen Wasserweg angeordnet. In der Darstellung von 1 ist das Verschlussorgan ein Leitapparat mit schließbaren Leitschaufeln. Es könnte sich jedoch genauso gut um einen Kugelschieber oder ein anders geartetes Ventil in der Druckrohrleitung 4 handeln. Ein derart ausgebildetes Verschlussorgan 8 wird in der englischen Sprache als „main inlet valve“ bezeichnet. Das Verschlussorgan 8 wird vor dem Anfahren der Pumpe geschlossen und erst dann geöffnet, wenn die Pumpe auf die Arbeitsdrehzahl hochgefahren ist. Erfindungsgemäße Pumpen können auch mehr als ein Verschlussorgan 8 umfassen, z.B. einen Kugelschieber und einen Leitapparat. In diesem Fall wird gewöhnlich der Leitapparat beim Anfahren der Pumpe geschlossen. Wenn die Pumpe eine Pumpturbine ist, dann umfasst sie in der Regel einen Leitapparat mit beweglichen Leitschaufeln.
Die Pumpe umfasst ferner eine Verbindungsleitung, welche mit 5 bezeichnet ist und den hochdruckseitigen Wasserweg mit dem niederdruckseitigen Wasserweg verbindet. Dabei handelt es sich um eine Umgehungsleitung, da durch dieselbe Wasser von der Druckrohrleitung 4 ins Saugrohr 3 gelangen kann, ohne dass das Wasser dabei das Laufrad 1 passiert. Die Verbindungsleitung 5 kann dazu von der Druckrohrleitung 4, wie in 1 dargestellt, oder vom Spiralgehäuse 2 abzweigen, wobei die Verbindungsleitung 5 in jedem Fall in Pumpenflussrichtung hinter dem Verschlussorgan 8 abzweigt. Wenn die Pumpe mehr als ein Verschlussorgan 8 umfasst, dann zweigt die Verbindungsleitung 5 in Pumpenflussrichtung hinter demjenigen Verschlussorgan 8 ab, welches vor dem Anfahren der Pumpe geschlossen wird.
In der Verbindungsleitung 5 ist ein Ventil angeordnet, welches mit 6 bezeichnet ist und welches den Wasserfluss durch die Verbindungsleitung 5 regeln kann.
In der Verbindungsleitung 5 ist ein Drallgeber angeordnet, welcher mit 7 bezeichnet ist. Der Drallgeber 7 ist so ausgebildet, dass Wasser, das in der Verbindungsleitung 5 den Drallgeber 7 passiert, bei der Passage desselben mit einem Drall versehen wird. Dabei bedeutet Drall, dass das Wasser, welches sich in der Verbindungsleitung in Richtung der Verbindungsleitung fortbewegt, zusätzlich zu dieser Bewegung eine Rotation um die Mittellinie der Verbindungsleitung ausführt. Mit anderen Worten folgt ein beliebiges Teilvolumen von Wasser abseits der Mittellinie der Verbindungsleitung nach dem Drallgeber einer schraubenlinienförmigen Trajektorie.
Wenn der Drall behaftete Wasserstrahl aus der Verbindungsleitung 5 in das Saugrohr 3 eintritt, bildet sich durch den Drall des Wasserstrahls in demselben eine rotierende Strömung aus. D.h. der Drall des ins Saugrohr eintretenden Wasserstrahls versetzt das sich im Saugrohr befindliche Wasser in eine rotierende Bewegung. Auf diese Weise kann im Wasser an der Eintrittsseite des Laufrades ein Gegendrall erzeugt werden, welcher das Anfahren der Pumpe erleichtert und Vibrationen beim Anfahren vermindert.
Um die genannten günstigen Bedingungen zuverlässig zu erzeugen, ist es von Vorteil, wenn die Verbindungsleitung 5 in der Region in das Saugrohr 3 mündet, in der die Drehachse des Laufrades die Wand des Saugrohrs 3 schneidet. Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Verbindungsleitung 5 so in das Saugrohr 3 mündet, dass die Verbindungsleitung 5 an der Mündungsstelle so ausgerichtet ist, dass sie in Richtung des Laufrades 1 weist. Auf diese Weise kann sich im Saugrohr 3 ein rotierender Wasserkegel bilden, welcher in 1 durch die geneigten gestrichelten Linien angedeutet ist. Mit anderen Worten ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungsleitung 5 so in das Saugrohr 3 mündet, dass sich im Saugrohr 3 ein rotierender Wasserkegel ausbilden kann, welcher sich im Saugrohr 3 zwischen der Mündung der Verbindungsleitung 5 und dem Laufrad 1 erstreckt, wenn Wasser durch die Verbindungsleitung 5 ins Saugrohr 3 fließt.
In 1 ist eine besonders vorteilhafte Anordnung dargestellt, da sich die Mündung der Verbindungsleitung 5 exakt an der Stelle befindet, an der die Drehachse des Laufrades 1 die Wand des Saugrohrs 3 schneidet. Außerdem ist die Verbindungsleitung 5 an der Mündung exakt koaxial zur Drehachse ausgerichtet. Geringe Abweichungen von dieser Anordnung führen nur zu einer vernachlässigbaren Beeinträchtigung der beschriebenen günstigen Wirkung.
Eine fast gleichwertige Anordnung erhält man, wenn die Mündung der Verbindungsleitung 5 zwar signifikant von der Stelle abweicht, an der die Drehachse des Laufrades 1 die Wand des Saugrohrs 3 schneidet, aber die Verbindungsleitung 5 dort so ausgerichtet ist, dass dieselbe auf das Zentrum des Laufrades 1 weist. Auch geringe Abweichungen von dieser Anordnung sind tolerierbar. Es kann sogar von Vorteil sein, wenn die Verbindungsleitung 5 an der Mündung nicht exakt auf das Zentrum des Laufrades 1 ausgerichtet ist, um der Asymmetrie Rechnung zu tragen, welche durch die Form des Saugrohrs 3 gegeben ist. Der Fachmann kann, instruiert durch die technische Lehre der vorliegenden Erfindung, eine solche vorteilhafte Abweichung von der beschriebenen Anordnung mit Hilfe einer Strömungssimulation auffinden, ohne dabei erfinderisch tätig zu werden.
Da sich der Drall im Wasserfluss durch die Verbindungsleitung 5 nach dem Drallgeber 7 durch Reibungseffekte zunehmend mit dem Abstand zu demselben vermindert, ist es von Vorteil, wenn der Drallgeber möglichst nahe an der Mündung der Verbindungsleitung 5 ins Saugrohr 3 angeordnet ist. Da sich der Drallgeber 7 jedoch in jedem Fall außerhalb des Saugrohrs 3 befindet, wird im Normalbetrieb der Pumpe der Wasserfluss durch das Saugrohr 3 durch den Drallgeber 7 nicht gestört.
Ferner kann es von Vorteil sein, wenn die Verbindungsleitung 5 an der Mündung als Düse ausgebildet ist, d.h. wenn sich der Querschnitt der Verbindungsleitung 5 vor der Mündung verengt. Dadurch vergrößert sich die Geschwindigkeit, mit der das Drall behaftete Wasser aus der Verbindungsleitung 5 ins Saugrohr 3 ausströmt. Dadurch kann die effektive Reichweite des resultierenden rotierenden Wasserkegels im Saugrohr vergrößert werden.
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Drallgebers 7 mit einer fixen Anordnung der Drall gebenden Elemente. Dabei zeigt die Figur eine Ansicht entlang der Achse der Verbindungsleitung 5, wobei die Schraffierung lediglich die Darstellung verdeutlichen soll. D.h. es handelt sich bei den schraffierten Bereichen nicht um Schnittflächen. Der in der Verbindungsleitung 5 angeordnete Drallgeber 7 umfasst vier Drall gebende Elemente, von den eines mit 7.1 bezeichnet ist. Die Drall gebenden Elemente 7.1 umfassen eine Außenseite, mit welcher dieselben an der Wand der Verbindungsleitung 5 befestigt sind. Zur weiteren Stabilisierung können die Drall gebenden Elemente innen aneinander oder an einer Nabe befestigt sein. In 2 sind die Drall gebenden Elemente 7.1 an einer kleinen Nabe befestigt, welche mit 7.2 bezeichnet ist. Damit die Drall gebenden Elemente 7.1 ihren Zweck erfüllen können müssen dieselben vor allem außen eine entsprechende Neigung aufweisen. Zusätzlich können dieselben auch eine Krümmung aufweisen. Die Anzahl der Drall gebenden Elemente 7.1 ist dabei beliebig. Im Prinzip genügt ein schraubenartig gebogenes Blech, welches außen an der Innenwand der Verbindungsleitung befestigt ist (d.h. ähnlich einer Archimedischen Schraube). In den Ausführungsformen mit unbeweglichen Drall gebenden Elementen 7.1 kann die Reichweite des erzeugten rotierenden Wasserkonus im Saugrohr 3 durch die Wassermenge eingestellt werden, welche durch das Verbindungsrohr 5 fließt, d.h. mit Hilfe des Ventils 6.
3 zeigt eine Ausführungsform eines Drallgebers 7 mit beweglichen Drall gebenden Elementen 7.1. Die Drall gebenden Elementen 7.1 umfassen Achsen, welche drehbar gelagert durch die Wand der Verbindungsleitung 5 geführt sind. In den Ausführungsformen mit beweglichen Elementen 7.1 sollte die Anzahl derselben wenigstens zwei betragen. Der dem die Verbindungsleitung 5 durchströmenden Wasser aufgeprägte Drall kann durch eine Drehung der Elemente 7.1 um die Achsen derselben eingestellt werden.
Bezugszeichenliste

1: Laufrad
2: Spiralgehäuse
3: Saugrohr
4: Druckrohrleitung
5: Verbindungsleitung
6: Ventil
7: Drallgeber
7.1: Drall gebendes Element
7.2: Nabe
8: Verschlussorgan

Claims

Pumpe umfassend einen hochdruckseitigen Wasserweg, einen niederdruckseitigen Wasserweg und ein Laufrad (1), wobei der hochdruckseitige Wasserweg ein Spiralgehäuse (2) und eine Druckrohrleitung (4) umfasst, und wobei sich die Druckrohrleitung (4) an das Spiralgehäuse (2) anschließt, und wobei der niederdruckseitige Wasserweg ein Saugrohr (3) umfasst, und wobei die Pumpe ein Verschlussorgan (8), welches den Wasserfluss durch die Pumpe unterbinden kann und welches im hochdruckseitigen Wasserweg angeordnet ist, und eine Verbindungsleitung (5) umfasst, welche den hochdruckseitigen Wasserweg mit dem niederdruckseitigen Wasserweg verbindet und so ausgebildet ist, dass durch die Verbindungsleitung (5) Wasser von der Druckrohrleitung (4) in das Saugrohr (3) gelangen kann, ohne dass das Wasser dabei das Laufrad (1) passiert, und wobei die Verbindungsleitung (5) in Pumpenflussrichtung hinter dem Verschlussorgan (8) vom hochdruckseitigen Wasserweg abzweigt, und wobei die Pumpe ein Ventil (6) umfasst, welches in der Verbindungsleitung (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe einen Drallgeber (7) umfasst, welcher in der Verbindungsleitung (5) angeordnet und so ausgebildet ist, dass Wasser, das in der Verbindungsleitung (5) den Drallgeber (7) passiert, bei der Passage desselben mit einem Drall versehen werden kann.
Pumpe nach Anspruch 1, wobei die Verbindungsleitung (5) so in das Saugrohr (3) mündet, dass sich im Saugrohr ein rotierender Wasserkegel ausbilden kann, welcher sich im Saugrohr (3) zwischen einer Mündung der Verbindungsleitung (5) und dem Laufrad (1) erstreckt, wenn Wasser durch die Verbindungsleitung (5) ins Saugrohr (3) fließt
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Verbindungsleitung (5) an einer Mündung ins Saugrohr (3) als Düse ausgebildet ist
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungsleitung (5) von der Druckrohrleitung (4) abzweigt.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Verbindungsleitung (5) vom Spiralgehäuse (2) abzweigt.
Pumpe nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Verbindungsleitung (5) eine Wand umfasst, und wobei der Drallgeber (7) wenigstens ein Drall gebendes Element (7.1) umfasst, und wobei jedes Drall gebende Element (7.1) eine Außenseite umfasst, mit welcher dasselbe an der Wand der Verbindungsleitung (5) befestigt ist.
Pumpe nach Anspruch 6, wobei die Drall gebenden Elemente (7.1) innen aneinander oder an einer Nabe (7.2) befestigt sind.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Verbindungsleitung (5) eine Wand umfasst, und wobei der Drallgeber (7) wenigstens zwei Drall gebende Elemente (7.1) umfasst, und wobei die Drall gebenden Elemente (7.1) Achsen umfassen, welche drehbar gelagert durch die Wand der Verbindungsleitung (5) geführt sind