DE1528820A1

DE1528820A1 - Verfahren zur Beeinflussung des Anlaufvorganges einer einstufigen,einflutigen Pumpe oder umkehrbaren Pumpenturbine sowie Pumpe oder Pumpenturbine zur Durchfuehrung des Verfahrens

Info

Publication number: DE1528820A1
Application number: DE19631528820
Authority: DE
Inventors: Derek Hartland
Original assignee: Sulzer AG
Current assignee: Sulzer AG
Priority date: 1962-10-15
Filing date: 1963-10-14
Publication date: 1969-10-16
Also published as: CH403493A; GB1009900A; AT247159B; ES292504A1; US3237565A

Description

Beschreibung

"Verfahren zur Beainflußung des Anlaufvorganges einer einstufigen, einflutigen Pumpe oder umkehrbaren Pumpenturbine souiie Pumpe oder Pumpenturbine zur Durchführung des Verfahrens."

Die Erfindung betrifft ein l/erfahren zur Beeinflußung des AnlaufVorganges einer einstufigen, einflutigen Pumpe oder umkehrbaren Pumpienturbine radialer Bauart mit einem fliegend gelagerten und mit festen Francis-Schaufeln versehenen Laufrad und mit einem geraden, axial verlaufenden Saugrohr, wobei das Laufrad zunächst entwässert, in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt und dann allmählich mit Wasser gefüllt wird.

Um während des Anlassens den Kraftbedarf einer Pumpe zu verringern, ist es bekannt, diese zunächst mit Uiasser zu füllen und dann in UJasser auf Synchrondrehzahl zu beschleunigen, wobei durch Einspritzen von Luft der Kraftbedarf der

ORIGINAL INSPECTED

909842/0689

-2-

Maschine vor Erreichen der Synchrondrehzahl verringert werden soll.

Maschinen großer Leistung, wie sie der vorliegenden Erfindung zugrunde liegen, können auf diese Weise, d.h. bei mit Wasser gefülltem Laufrad, überhaupt nicht angefahren werden; sie werden daher im allgemeinen zunächst durch einen Hilfsantrieb in Luft bis zur Synchrondrehzahl beschleunigt und danach erst allmählich mit Wasser gefüllt.

Weiterhin ist es bekannt, daß dabei, d.h. während des Füllens der Pumpe oder Pumpsnturbine mit Wasser - besonders bei großen Maschinen -, die Geschwindigkeit, mit der die von der Pumpe aufgenommene Leistung ansteigt, durch ihre Rückwirkung auf das elektrische Netz, an das der Antriebsmotor der Pumpe oder Pumpenturbine angeschlossen ist, Schwierigkeiten bereitet.

Diese Schwierigkeiten werden durch einen sprunghaften Anstieg in der Leistungsaufnahme der Maschine während einer bestimmten Phase des AnlaufVorganges hervorgerufen. Dieser Anstieg ist bedingt durch sine irreversible) plötzliche Änderung des Strömungszustandes in dam im Saugrohr hochsteigenden Wasser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrund·, diesen sprungartigen, in Sekundenbruchteilen erfolgenden Anstieg in der Leistungsaufnahme bsi dem genannten ITIaschinentyp zu vermeiden, indem dieser Anstieg über einen Zeitraum von mehreren Sekunden gedehnt wird.

•3-

909842/0689

OWGlNAL WSPECTED

152S8ZU

Das erfindungsgemäße !/erfahren ist dadurch gekannzeichnet, daß mindestens während der Zeit, in der Wasser aus der Saugleitung in das Laufrad hochsteigt, eine GasuJasser-Ltsulsion in das Laufrad eingespritzt *ird, und daß ferner die Dichte dieser Emulsion durch Änderung des Gas-Wasser-Verhältnisses in dar Emulsion allmählich verändert «ird.

Eine Pumpe dder Puapenturbina nach der Erfindung zur Durchführung des Verfahrene ist gekennzeichnet durch einen Eaiulsionssrzeuger, der mit Gas und Wasser aus Quallen geeigneten Druckes gespeist vird und mit dem Saugrohr der Pumps oder Puwpenturbine durch «ine Leitung verbunden ist, durch «eiche die Emulsion in das Laufrad eingespritzt wird.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachstehender Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt in allgemeiner Form eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 gibt Details der Anordnung nach Fig. 1 in vergrößertem maßstab wieder,

Fig. 3 ist eine graphische Darstellung, in der der Verlauf des Anstiege der von der Pumpe mährend des AnlaufVorganges aufgenommenen Leistung in Abhängigkeit von der Zeit aufgetragen ist. Auf der Ordinate ist dabei die Leistung in Prozenten der Vollastleistung und auf der Abszisse die Zeit in Minuten angegeben.

909842/0689 -4-

Fig. 4 zeigt tin· ander* Aueführungsforra einer Pumpt oder Pumpenturbine nach der Erfindung, Mährend

Fig. 5 schließlich ein drittes Ausführungebeispiel nach der Erfindung wiedergibt.

Die in Fig. 1 und 2 gezeigte maschine stellt eine Pumpenturbine großer Leistung dar, d.h. diese Pumpenturbine besitzt eine Eingangsleistung größer als 1 WlW. Das Laufrad 11/ das aus einer hinteren Deckscheibe 12 und einer Vorderscheibe 13 besteht, die durch die Laufschaufeln 14 miteinander verbunden sind, ist über eine UJelle 15 an den Antriebsmotor 16 angeschlossen. Die feststehenden Teile der Pumpe enthalten ein Spiralgehäuse 17, das das Laufrad umgibt, und an das eich die mit dem Druckventil 19 versehene Druckleitung 18 anschließt. Die Druckleitung 18 führt zu einem nicht dargestellten Reservoir, in welches Wasser während des Pumpbetriebes gefördert wird.

Unmittelbar unterhalb der Laufradaintrittsöffnung befindet sich ein Saugrohr 20, welches senkrecht unter und symmetrisch zu dem Leufrad 11 angeordnet ist. An dem unteren Ende des Saugrohree 20 schließt ein EinlaQrohrkrümmer 21 an, welcher durch einen Kanal 22 mit einem ebenfalls nicht dargestellten, unteren Reservoir verbunden ist, aus welchem das zu fördernde Ulasser entnommen wird.

Der das Laufrad umgebende Ringkanal 23 ist mit einstellbaren Lwitschaufein 24 versehen, deren schematiach dargestellter Verstellmechanismus mit 24a bezeichnet ist. Weiterhin besitzt der Ringkanal 23 einen Kranz feststehender

-5- 909842/0689

Diffusorschaufel!! 25. Es ist auch Möglich, eine Pumpe oder Punpanturbine nur nit einem Kranz feststehender Diffusorschaufel 25 auszurüsten.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die Kitte der hinteren Deckscheibe 12 mit einer Ausnehmung 26 versehen, die durch eine Bohrung 27 mit einem Ringraum 28 zwischen den feststehenden und den rotierenden Teilen der Pumpe verbunden ist· Durch Dichtungsringe 29, 30 zwischen den feststehenden Gehäuseteilen und den rotierenden Teilen der Pumpe wird der Raum 28 abgedichtet. Dieser Raum 28 kann durch eine Leitung 31 und ein Ventil 32 entweder in die Atmosphäre (oder in Fällen, bei denen in dem Saugrohr ein Unterdruck gegenüber der Atmosphäre herrscht, in eine Unterdruckkammer) entlüftet - Stellung A des Ventils 32, wie in Fig· 2 gezeigt - oder mit einer nicht dargestellten Druckgasquelle verbunden werden (StellungP). Bei der dritten, mit C bezeichneten Stellung ist das Ventil 32 geschlossen. Die Entlüftungeleitung 31 ist in bekennter Weise mit einem nicht dargestellten Drosselorgan versehen, um das Abblasen der Druckluft aus dem Laufradraum während des Anfahrvorganges in regelbarir Weise durchführen zu können.

Weiterhin eind eine Labyrinthdichtung 33 zwischen der hinteren Deckscheibe 12 und dan oberen feststehenden Gehäuseteilen und eine Labyrinthdichtung 34 zwischen der Vorderscheibe 13 und den feststehenden Gehiuseteilen am oberen Ende des Saugrohres 20 vorhanden. Durch eine weitere Leitung 35 zwischen dem Dichtungering 30 und der Labyrinthdichtung 33 kann etwaigee Leckwasser abgezogen werden.

909842/0689

-6-

Eine Leitung 40 ist mit einer Drucku/asserquelle, z.B. mit der Druckleitung 18, verbunden. Bei Pumpen mit einstellbaren Leitschaufeln 24 können diese geschlossen und das Druckventil 19 geöffnet »erden, so daß Druckmesser in das Spiralgehäuse 17 eintreten kann. In diesem Fall kann die Leitung 40 auch an das Spiralgehäuse 17 angeschlossen sein.

Die Leitung 40 enthält ein Ventil 41, durch welches die Durchflußmenge des Wassers geregelt werden kann, und führt zu einem Emulsionserzeuger 42. Druckluft wird de* Emulsionserzeuger 42 durch eine mittels eines Ventils in ihrer DurchlaOmenge geregelte Speiseleitung 43 von einer beliebigen Quelle zugeführt. Als Emulsionserzeuger dient irgendeine der bekannten Konstruktionen, bei der z.B. Luft und Wasser durch Mechanische oder hydraulische Rlittel emulgiert werden.

Die Emulsion strömt zu einer oder mehreren öffnungen 44 in dem Saugrohr 20, wobei die zwischen dem Emulsioneerzeuger 42 und den Öffnungen 44 befindliche Leitung 40a so verlegt ist, daß die Emulsion in Richtung auf das Laufrad hin eingespritzt wird. Ein· Abzweigleitung 45 und ein Ventil 46 dienen zur Entwässerung der Leitung 40a.

Die Bildung der Emulsion fördernde Stoffe, z.B. solche, die die Oberflächeepannung erniedrigen, können dem Emulsionserzeuger 42 durch eine Leitung 47 zugeführt werden.

Im allgemeinen erfolgt dae Anlaufen einer Pump· oder Pumpenturbine auf folgend· Weiseι Durch Einblasen von

-7- 909842/0689

Druckluft wird in bekannter Waise der unterhalb dee Unterwasserspiegels liegende Laufradrau« bei geschlossenen Druckleitungsventil 19 oder geschlossenen Leitschaufeln 24 entwässert, so daß das Laufrad 11 trocken anlaifen kann. Es wird beim Anlaufen in Luft zunächst in bekannter Weise durch eine Hilfsnaschine, z.B. einen Hilfsmotor, vom Stillstand bis zur Synchrondrehzahl beschleunigt) das Wasser wird während dieser Zeit von den Laufradschaufeln 14 durch die Druckluft ferngehalten· Lediglich eine geringe iassermenge wird dabei den Laufraddichtungen zugeführt, an denen nur ein geringes Spiel vorhanden ist, um so die Gefahr des Streifens und Anfressens zu vermeiden.

Bei der Synchrondrehzahl wird der Motor 16 Mit einer Energiequelle, z. B., den Netz, verbunden und synchronisiert. Daraufhin «ird der Hilfsmotor abgeschaltet.

Die von der Pumpe während dieser beiden ersten Phasen aufgenommene Leistung steigt von Null auf ungefähr 3 % der normalen Vollastleistung· Die Dauer dieser beiden Phasen möge z.B. zwei Minuten betragen (Fig. 3).

In Fig. 3 zeigt die ausgezogene Linie den Anlaufvorgang für eine Pumpe, die mit einstellbaren Leitschaufeln 24 ausgerüstet ist, welche während des AnlaufVorganges geschlossen sind. Die gestrichelte Linie stellt den Verlauf für eine Pumpe dar, die nur feste Diffusorschaufel 25 besitzt.

Sobald der Motor 16 mit dem Netz synchronisiert ist, wird das Laufrad 11 allmählich mit Wasser gefüllt)

-B-

909842/0689

infolge der Zentrifugalwirkung verschiebt eich dabei die Wassergrenze allmählich von der äußeren Peripherie dea Laufradaa her nach innen. Die Füllung des Laufrades 11 mit Hasser während dieser dritten Phase kann z.B. auf folgende drei Arten erfolgeni

a) durch allmähliches Abblasen der Luft aus dem Saugrohr 20 durch die Entlüftungeleitung 31, wodurch das Wasserniveau allmählich in die Laufradeintrittsöffnung hineinsteigen kann. Das durch die Schaufeln 14 erfaßte Wasser wire" nach außen zentrifugiert und verdrängt die Luft in den Laufrad radial nach innen; die Luft wird eo zusammengepreßt und bildet einen Widerstand gegen eine weitere Erhöhung des Ulasserniveaus, wodurch dieser Prozeß stabil bleibt.

b) durch Einspeisen von Wasser von der Druckleitung 18 her in den Raun zwischen das Laufrad 11 und die einstellbaren Leitschaufeln 24 - oder die festen Diffusorschaufel 25 - und weitere Förderung dieses Wassers nach innen in das Laufrad gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft. Dieses Wasser kann durch eine Leitung eingespeist werden, die mit der Wand dee Ringkanals 23 oder mit den feststehenden Gehäuseteilen in der Nähe der hinteren Deckscheibe 12 außerhalb der Dichtung 33 oder der Vorderscheibe 13 dee Laufrades verbunden ist.

c) durch Einspritzen von Wasser von dem Saugrohr 20 aus gegen die Laufradeintrittsöffnung, wobei die

909842/0689 -9-

Wasserstrahlen von dar Druckleitung 18 oder von ainar fremden Waeeerquelle gespeist «erden.

Die innere Begrenzung des Wassers wird auf diese Weise ungefähr bis zu dem kleinsten Durchmesser der Vorderecheibe 13 des Laufrades verschoben. Ea hat sich gezeigt, daß die von der Pumpe während dieser Phase aufgenommene Leistung von ungefähr 3 % auf ungefähr 10 % der normalen Vollastleistung bei Maschinen mit einstellbaren, während dieser Phaaa geschlossenen, Leitschaufeln ansteigt. Diese dritte Phase dauert etwa eine weitere Minute (Fig. 3).

Dia bisher beschriebenen drei Phaaen sind reversibel, d.h. ihre Folge kann zu jeder Zeit leicht umgekehrt werden. Weiterhin aind aie regelbar, d.h. die Geschwindigkeit des Leistungsanstieges kann jederzeit in kontrollierter Weise beeinflußt werden.

Am Ende dar dritten Phase wird die Luft durch die äußeren Teile der Laufradschaufeln 14 in dem Saugrohr in Rotation versetzt und die Dichte des derin zirkulierenden Mediums nach der Erfindung ellmählich geändert, so daß der Antriebsmotor 16 der Pumpe die Last mit einer geregelten Geschwindigkeit aufnehmen kann. Diac erfolgt auf folgende Weiset

Eine Emulsion mit zunächat geringer Dichte, d.h. mit einem hohen Verhältnis von Luft zu Wasser, wird in das Laufrad durch dia Leitung 40a eingeapritzt. Dia Dichte der Emuleion wird allmählich geataigart, bia der größere Teil dea Laufrades 11 und daa obere Ende des Seugrohree

-10- 909842/0689

- ίο -

in wesentlichen mit Wasser gefüllt ist, wobei z.B. die Anlieferung der Luft reduziert wird, während die Klenge des Wassers konstant bleibt} die mit der Emulsion in das Laufrad gelangende Luft wird in geregelter Weise durch die Leitung 31 in die Atmosphäre abgeblasen.

Während dieser Phase des Anlaufvorganges steigt die von der Pumpe aufgenommene Leistung von ungefähr 10 % auf ungefähr 27 % der normalen Vollastleistung bei Pumpen mit einstellbaren Leitschaufeln, und auf ungefähr 60 % der Vollastleistung bei Pumpen mit festen Diffusorschaufeln. Bisher erfolgte dieser Anstieg in einem Bruchteil einer Sekunde (Sprungstellen der Kurven in Fig. 3). Durch die Anwendung der Erfindung wird der Verlauf dieses Anstieges über eine längere Periode ausgedehnt, so daß seine Geschwindigkeit von dem elektrischen Netz leichter aufgenommen werden kann.

Der Leistungsanstieg kann z.B. in 20 Sekunden erfolgen, wie in strichpunktierten Linien in Fig. 3 gezeigt ist. Während der fünften Phase schließlich werden die einstellbaren Leitachaufeln 24 - oder bei Pumpen, die nur feste Diffusorschaufel 25 beeitzen, das Druckleitungsventil 19 - allmählich geöffnet, so daß die von der Pumpe aufgenommene Leistung in regelbarer Weise von 27 % bzw· 60 % bis zur Vollastlsistung ansteigt.

Die Zufuhr von Luft und Wasser durch die Leitung 40a ist bei normalem Betrieb unterbrochen.

Ea besteht auch die Rlöglichkeit, nach der Synchronisation des Rlotors 16 da« Laufrad ganz mit Hilfe der

909842/0689 -11-

Einspritzung einer Emulsion zu füllen, wobei die beschriebene dritte Phase - die Füllung der äußeren Teile des Laufrades - fehlt.

Fig. 4 zeigt eine gegenüber der Aueführungeform nach den Fig. 1 und 2 etwas geänderte Anlage, in welcher das Wasser von der Druckleitung 1Θ durch eine Leitung 70, deren Durchflußmenge durch ein Ventil 71 geregelt wird, zu einem Venturi-Rohr 72 strömt. Die Druckluft wird durch die Leitung 73 in den Hals oder in eine Rohrverzweigung am Hals des Venturi-Rohres 72 eingespeist. Die in den Venturi-Rohr 72 gebildete Luft-ffiasseremulaion wird dann in das Laufrad durch die öffnung 74 eingespritzt. Eine Leitung 75 mit einem Ventil 76 dient wiederum zum Entwässern· Dem Hals des Venturi-Rohres 72 kann zusätzlich durch eine Leitung 77 ein Stoff zur Herabsetzung der Oberflächenspannung z.B. TEEPOL oder BY-PROX (eingetragenes Warenzeichen) zugeführt werden.

Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungebeispiel, welches wiederum gegen die Anlage nach den Fig. 1 und 2 leicht abgeändert ist. Dabei ist die Luftleitung 43 nicht mit einer äußeren Druckluftquelle verbunden, sondern sie wird mit der Luft gespeist, die aus dem Laufradraum durch die Leitung 31 abgeblasen wird. Ein Ziuei-tUegeventil 48 ist vorgesehen, um die Leitung 31 entweder mit der Atmosphäre oder mit der Leitung 43 zu verbinden.

Selbstverständlich sind verschiedene weitere Ausführungsformen der Erfindung möglich. Z.B. kann die Luftleitung 73 der Fig. 4, die in dem Venturi-Rohr 72 endet, ebenfalls mit der aus den Laufradraum abgeblasenen Luft durch die Leitung 31 versorgt warden.

909842/0689 -12-

Claims

<- 12 -

Patentansprüche

(1 Λ Verfahren zur Beeinfluöung des AnlaufVorganges einer einstufigen, einflutigen Pumpe oder umkehrbaren Pumpenturbine radialer Bauart mit einem fliegend gelagerten und mit festen Francis-Schaufeln versehenen Laufrad und mit einem geraden} axial verlaufenden Saugrohr, wobei das Laufrad zunächst entwässert, in Luft auf Synchrondrehzahl beschleunigt und dann allmählich mit Wasser gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens während der Zeit, in der Wasser aus dar Saugleitung in das Laufrad hochsteigt, eine Gas-Ulasser-Emulsion in das Laufrad eingespritzt wird, und daß ferner dia Dichte dieser Emulsion durch Änderung des Gas-Wasser-Uerhältnisses in dar Emulsion ellmählich verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gas-lilasseremulsion Stoffe zur Herabsetzung der Oberflächenspannung zugesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte dar Emulsion in Abhängigkeit von der von dem Antriebsmotor der Pumpe oder Pumpenturbine aufgenommenen Leistung geändert wird.
4. Pumpe oder Pumpenturbine zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Emulsionserzeuger (42,72), der mit Gas und Wasser aus Quellen geeigneten Druckes gespeist wird und mit dem Saugrohr (20) der Pumpe oder Pumpenturbine durch eine Leitung (40a) verbunden ist, durch welche die Emulsion in das Laufrad (11) eingespritzt wird.

909 8 42/0689
5. Pumpe oder Pumpenturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet) daß der Emulsionserzeuger (42) aus einem Venturi-Rohr (72) besteht, dessen Eingang mit einer Druckwasserquelle und dessen Hals mit einer Druckluftquelle verbunden sind, während sein Ausgang mit dem Saugrohr (20) in Verbindung steht.
6. Pumpe oder Pumpenturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftzuführung (43,73) zu dem EmulsJKonserzeuger (42,72) an die Entlüftungsleitung (31) für fien Laufradraum der Pumpe oder Pumpenturbine angeschlossen ist.
7. Pumpe oder Pumpenturbine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Emulsionserzeuger (42,72) mittel zur Zuführung von Stoffen zur Herabsetzung der Qberflächespannung besitzt.

909842/0689

Leerseite