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Anlage mit Rohrturbine oder Rohrpumpe, deren Laufrad feststehende
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Schaufeln aufweist ~~~~~~~~~~~~~~~~ Die Erfindung betrifft eine Anlage
mit Rohrturbine oder Rohrpumpe, an derem feststehende Schaufeln aufweisenden Laufrad
mit im wesentlichen horizontaler Drehachse der Rotor eines das Laufrad aussen umgebenden
elektrischen Generators bzw. Motors über einen Kranz bebefestigt ist, so dass das
Laufrad, der Kranz und der Rotor eine rotierende Einheit bilden.
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Aus der CH-PS 347 253 ist eine Anlage mit Rohrtubine oder Rohrpumpe
bekannt, bei der das Laufrad verstellbare Schaufeln aufweist und der Kranz und der
Rotor über eine am Kranz befestigte Lauftrommel auf Gleitlagersegmenten gelagert
ist, die über den Umfang der Lauftrommel verteilt angeordnet sind. Eine solche Lagerung
ist problematisch, da es sehr schwierig ist7 sie mit den notwendigen Toleranzen
genau herzustellen, denn der Durchmesser der Lauftrommel kann 2 bis 12 m betragen.
Bei solch grossem Durchmesser sind auch die unvermeidlichen Deformationen des Aussenkranzes
infolge des Eigengewichtes, der Zentrifugalkräfte, sowie durch Temperaturänderungen
zu berücksichtigen. Hinzu kommt noch, dass bei solchen Turbinen beträchtliche Umfangsgeschwindigkeiten
am Kranz auftreten, nämlich bis zu 150 m/sec. Auch hinsichtlich der Montage der
Lagerung ergeben sich grosse Schwierigkeiten.
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Aus der DT-PS 676 483 ist eine Anlage mit Rohrturbine oder Rohrpumpe
bekannt, deren Lauf rad feststehende Schaufeln aufweist, die von einem Kranz umgeben
sind. Bei dieser Anlage ist das Laufrad mit dem Kranz auf einem Achsstummel drehbar
gelagert, der seinerseits an der Leitradnabe befestigt ist, die über Leit- oder
Führungsachaufeln mit dem umgebenden Rohrgehäuse verbunden ist. Auch diese Lagerung
eignet sich nicht für Maschinen, deren Kranz einen Durchmesser von 2 bis 12 m aufweist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in einer Anlage der eingangs
genannten Art eine in ihrer Herstellung wie auch in ihrer Montage einfache, sowie
betriebssichere Lagerung für die rotierende Einheit zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die rotierende
Einheit an mindestens zwei auf einer Umfangslinie liegenden Stellen auf mindestens
je einem hydrostatischen zentrierenden Stützkolben berührungslos gelagert ist, wobei
die Lagerstellen sich unterhalb oder oberhalb einer horizontalen Ebene befinden,
die im Bereich der Drehachse des Laufrades liegt, und zwei der Lagerstellen beidseits
symmetrisch zur vertikalen, in Achsrichtung verlaufenden Mittelebene liegen und
die Achsen der zentrierenden Stützkolben dieser letztgenannten Lagerstellen unter
einem Winkel vorn etwa höchstens 60° zur vertikalen Mittelebene geneigt sind, und
dass ausserdem in Bezug auf die Anordnung der zentrierenden Stlltzkolben auf der
anderen Seite der horizontalen Ebene an mindestens einer Stelle mindestens eine
hydrostatische, die rotierende Einheit bei Auftreten dynamischer Kräfte berührungslos
stützende Vorrichtung
vorgesehen ist, deren Stützkraft der resultierenden
Stützkraft der zentrierenden Stützkolben entgegen gerichtet ist.
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Durch die Verwendung hydrostatischer zentrierender Stützkolben lässt
sich eine berührungslose Lagerung für die rotierende Einheit realisieren, wobei
die Stützkolben den Deformationen der rotierenden Einheit ohne weiteres folgen,
ohne dass zwischen der rotierenden Lagerfläche der Einheit und den dieser Fläche
benachbarten Fläche der Stützkolben Verschleiss auftritt. Ausserdem sind auch durch
Temperaturänderungen bedingte Zwangskräfte innerhalb der Lagerung vermieden, wodurch
sich der konstruktive Aufwand Rür die Lagerung wesentlich verringert. Durch die
stützenden Vorrichtungen wird erreicht, dass bei plötzlichen Bewegungen, die durch
dynamische Kräfte beim Anfahren oder beim Abschalten hervorgerufen werden, die rotierende
Einheit sicher abgestützt wird, ohne dass dadurch in der Anlage, insbesondere der
Lagerung, übermässige oder gar zerstörende Kräfte auftreten können. Ein weiterer
wesentlicher Vorteil besteht darin, dass für das Laufrad keine drehende Welle notwendig
ist.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist ausser den
zentrierenden Stützkolben mindestens ein hydrostatisches, einen konstanten Teil
des Gewichtes der rotierenden Einheit berührungslos.aufnehmendes Tragelement vorgesehen,
das in der vertikalen Mittelebene angeordnet ist. Hierdurch wird es also möglich,
bei sehr schweren Maschinen mit begrenzten Platzverhältnissen für die Unterbringung
der zentrierenden Stützkolben ein oder mehrere hydrostatische
Tragelemente
vorsehen, so dass die zentrierenden Stützkolben um den vom Tragelement aufgenommenen
Gewichtsanteil entlastet werden.
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Ausser den radialen Kräften lassen sich auch die axialen Kräfte der
Maschine hydrostatisch aufnehmen. So sind nach einer weiteren Ausführungsform der
Erfindung auf der Niederdruckseite der rotierenden Einheit mindestens zwei über
deren Umfang verteilte, hydrostatische1zentrierende Stützkolben vorgesehen. Diese
Stützkolben nehmen den im Normalbetireb auftretenden Axialschub der Maschine berührungslos
auf.
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Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind auf der Hochdruckseite
der rotierenden Einheit mindestens zwei über deren Umfang verteilte, hydrostatische,
bei Auftreten dynamischer Kräfte berührungslos stützende Vorrichtungen vorgesehen.
Beim Abschalten kann sich der Axialschub umkehren, so dass in diesem Fall die rotierende
Einheit an den auf der Hochdruckseite befindlichen stützenden Vorrichtungen abgestützt
wird.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der folgenden Beschreibung
anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch vereinfacht im Schnitt
eine Anlage mit einer Rohrturbine nach der Erfindung, Fig. 2 eine Prinzip-Skizze
für die Anordnung der zentrierenden Stützkolben und der stützenden Vorrichtungen
bei einer Innenlagerung
Fig. 3 ebenfalls eine Prinzip-Skizze für
eine Aussenlagerung, Fig. 4 schematisch im Schnitt eine Lagerung der Nabe des Laufrades,
Fig. 5 eine Prinzip-Skizze zur Lagerung nach Fig. 4, Fig. 6 einen Schnitt durch
einen hydrostatischen zentrierenden Stützkolben mit Kraft/Weg-Diagramm, Fig. 7 einen
Schnitt durch eine stützende Vorrichtung mit Kraft/-weg-Diagramm, Fig. 8 einen Schnitt
durch ein hydrostatisches Tragelement mit Kraft/Weg-Diagramm und Fig. 9 eine abgewandelte
Anlage nach der Erfindung.
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Gemäss Fig. 1 weist die Wasserkraftanlage eine Rohrturbine 1 auf,
die im wesentlichen aus einem Laufrad 2 mit feststehenden Schaufeln 3, sowie einem
zentralen Anströmkörper 4 besteht, der in Strömungsrichtung des Wassers (Pfeile
5) vor der Nabe des Laufrades 2 angeordnet ist. Der Anströmkörper 4 ist über radiale,
sich in Strömungsrichtung des Wassers erstreckende Trennwände 45 im Rohrgehäu-6
se 7 befestigt. Am Anströmkörper 4 sind ausserdem Leitschaufeln/angebracht. Das
Laufrad 2 ist aussen von einem mit den Schaufeln 3 verbundenen Kranz 8 umgeben,
auf dem der Rotor 9 eines elektrischen Generators 10 befestigt ist. Der Rotor 9
seinerseits ist vom Stator 11 des Generators 10 umgeben. Zwischen dem Kranz 8 und
dem Rohrge-13 häuse 7 sind Dichtungen 12 vorgesehen. Die Drehachse/des Laufrades
2 ist horizontal angeordnet.
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Gemäss Fig. 2 sind zur Lagerung der aus dem Rotor 9, dem Kranz 8 und
dem Laufrad 2 bestehenden rotierenden Einheit oberhalb einer horizontalen Ebene
14, in der die Achse 13 des Laufrades 2 liegt, zwei hydrostatische~Lagerstellen
15 vorgesehen, die symbolisch durch Pfeile dargestellt sind und von zentrierenden
Stützkolben gebildet werden. Die hydrostatischen zentrierenden Stützkolben 15 sind
symmetrisch beiderseits der vertikalen Mittelebene 16, in der sich die Achse 13
befindet angeordnet, und zwar liegen die Achsen der Stützkolben jeweils in einer
Ebene 17 bzw. 17', die zur Der tikalen Ebene 16 unter einem Winkels von höchstens
60° geneigt ist.
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Unterhalb der horizontalen Ebene 14 sind drei Stellen 18 vorgesehen,
die ebenfalls durch Pfeile symbolisiert sind und an denen hydrostatische Stützvorrichtungen
angeordnet sind1 die die rotierende Einheit bei Auftreten dynamischer Kräfte berührungslos
abstützen.
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Zwei der drei Stützvorrichtungen 18 sind symmetrisch beiderseits der
vertikalen Ebene 16 angeordnet, wogegen die dritte Stützvorrichtung in der vertikalen
Ebene 16 liegt.
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Bei diesem Beispiel haben die zentrierenden Stützkolben 15 die Funktion,
die rotierende Einheit stets zentrisch zur Achse 13 zu halten und ausserdem das
Gewicht der rotierenden Einheit auf das umgebende Fundament zu übertragen; sie sind
also zugleich Lage rungen. Es ist auch möglich, zwischen den beiden Lagerstellen
15 eine weitere, in der vertikalen Mittelebene 16 angeordnete, von einer oder mehreren
hydrostatischen zentrierenden Stützkolben gebildete Lagerstelle vorzusehen.
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Ein Ausführungsbeispiel eines hydrostatischen zentrierenden Stützkolbens,
der an den Lagerstellen 15 verwendet werden kann, ist in
Fig. 6
dargestellt und in der fruheren Anmeldung Nr. 8839/74 (P 480n) im einzelnen beschrieben.
Wie sich aus dem Kxaft/Weg-Diagramm in Fig.
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6 ergibt, nimmt die Stützkraft des Stützkolbens bei Bewegungen in
Richtung des Pfeiles h zu, während sie bei Bewegungen in entgegengesetzter Richtung
abnimmt. Weitere Ausführungsbeispiele für hydrostatische, zentrierende Stützkolben,sEnd
in der gleichzeitig eingereichten Anmeldung (P4964) dargestellt und beschrieben.
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Ein Ausführungsbeispiel für die Stützvorrichtung, die an den Stellen
18 eingesetzt werden kann, ist in Fig. 7 dargestellt und in der gleichzeitig eingereichten
Anmeldung ............(P 4950) im einzelnen beschrieben. Die stützende Vorrichtung
18 zeichnet sich dadurch aus, dass sie bei langsamen radialen Bewegungen der rotierenden
Einheit diesen Bewegungen ohne Aenderungen der Stützkraft folgt, also selbsteinstellend
ist, wogegen bei plötzlichen Bewegungen der rotierenden Einheit die stützende Vorrichtung
nicht folgt sondern unter Vergrösserung der Stützkraft die rotierende Einheit in
der jeweiligen Lage festhält.
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Ein anderes Ausführungsbeispiel für die Lagerung der rotierenden Einheit
zeigt Fig. 3, wobei die einzelnen Stützorgane von aus-sen an der rotierenden Einheit
angreifen. Unterhalb der horizontalen Ebene 14 sind zwei hydrostatische Lagerstellen
15 vorgesehen, die von zentrierenden Stützkolben gebildet werden, deren Achsen wiederum
symmetrisch beiderseits der vertikalen Ebene 16 in Ebenen 17 und 17' liegen, die
unter einem Winkel α von höchstens 6O0 zur vertikalen Ebene 16 geneigt sind.
Ausserdem ist unterhalb der horizontalen Ebene 14 in der vertikalen Ebene 16 ein
nachfahrendes,
hydrostatisches Tragelement 20 angeordnet, das einen
konstanten Teil des Gewichtes der rotierenden Einheit trägt. In diesem Fall übernehmen
die zentrierenden Stützkolben 15 die Zentrierung der rotierenden Einheit, sowie
den restlichen Anteil des Gewichtes der rotierenden Einheit. Oberhalb der horizontalen
Ebene 14 sind zwei Stellen 18 vorhanden, an denenhydrostatische stützende Vorrichtungen
angeordnet sind, und zwar symmetrisch beiderseits der vertikalen Ebene 16. Bezüglich
der konkreten Ausbildung der Stützkolben 15 und der stützenden Vorrichtungen 18
gilt das oben im Zusammenhang mit Fig. 2 Gesagte. Ein Ausführtzgsbeispiel für das
Tragelement 20 ist in Fig. 8 dargestellt und in der schweizerischen Patentschrift
Nr. 560 334 im einzelnen beschrieben.
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In diesem Zusammenhang sei noch erwähnt, dass in axialer Richtung
gesehen jeweils mehrere Stützkolben 15, stützende Vorrichtungen 18 und Tragelemente
20 angeordnet sein können.
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Fig. 4 zeigt die Lagerung des Laufrades 2 auf einem Tragzapfen 25,
der mit seinem in Fig. 4 linken Ende an dem Anströmkörper 4 befestigt ist. Der Tragzapfen
25 weist in Fig. 4 in seiner oberen Hälfte vier hydrostatische zentrierende Stützkolben
15 auf, die sämtlich index Schnittebene angeordnet sind. Die Stützkolben 15 sind
z. B. in der in Fig. 6 gezeichneten Art ausgebildet und an eine Druckmittelzufuhr-Leitung
26 angeschlossen, über die das die Kolben 15 beaufschlagende Druckmittel mit pro
Zeiteinheit im wesentlichen konstanten Volumenstrom zugeführt wird. In gleicher
Weise sind vier zentrierende Stützkolben in der symmetrisch zur vertikalen Mittelebene
liegenden Ebene angeordnet, wie dies durch Fig. 5 schematisch angedeutet ist. Zwischen
den beiden Reihen von
Stützkolben 15 liegt in der vertikalen Ebene
eine Reihe von beispielsweise ebenfalls vier hydrostatischen Tragelementen 20, die
-ähnlich wie die Stützkolben 15 - an eine gemeinsame Druckmittelzufuhr angeschlossen
sind, die das Druckmittel mit im wesentlichen konstantem Druck zuführt.
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Die Tragelemente 20 tragen einen Teil des Gewichtes des Laufrades
2 des Kranzes 8 und des Rotors 9. In der unterhalb der Horizontal-Ebene befindlichen
Hälfte des Tragzapfens 25 sind in drei verschiedenen axialen Ebenen je zwei hydrostatische
stützende Vorrichtungen 18 vorgesehen, die mit einer relativ kleinen konstanten
Druckkraft berührungslos gegen die Innenfläche der Nabe 27 des Laufrades gedrückt
werden. Sie sind z. B. gemäss Fig. 7 ausgebildet und entwickeln ihre Stützkraft,
wenn auf die rotierende Einheit infolge dynamischer Kräfte plötzliche Bewegungen
ausgeübt werden, durch die die rotierende Einheit aus ihrer zentrischen Lage gebracht
würde. In einem solchen Fall entwickeln die Vorrichtungen 18 eine progressiv ansteigende
Druckkraft, die der erwähnten plötzlichen Bewegung entgegenwirkt.
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An dem in Fig. 4 rechten Ende ist der Tragzapfen 25 rnit einer Scheibe
30 versehen, die durch nicht gezeichnete Schrauben mit dem Tragzapfen verbunden
ist. Im Bereich der Stirnfläche der Nabe 27 sind in der Scheibe 30 gleichmässig
über den Umfang verteilt mehrere zentrierende hydrostatische Stützkolbenl5t vorgesehen,
die berührungslos an die Stirnfläche der Nabe angepresst werden und somit den in
Richtung des die Turbine 1 durchströmenden Wassers wirkenden Axialschub aufnehmen.
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Da die Möglichkeit besteht, dass beim Abschalten des Generators die
eben erwähnte Axialkraft sich umkehrt, sind im Bereich der in Fig. 4 linken Stirnfläche
der Nabe 27 mehrere stützende Vorrichtungen 18' im der Nabe benachbarten Flansch
des Tragzapfens 25 untergebracht. Die stützenden Vorrichtungen 18t, die in ihrem
Aufbau den Vorrichtungen 18 entsprechen, werden berührungslos an die Stirnfläche
der Nabe 27 angedrückt und folgen langsamen axialen Bewegungen der rotierenden Einheit;
plötzlichen, in Fig. 4 nach links gerichteten Axialbewegungen setzen sie jedoch
eine progressiv zunehmende Stützkraft entgegen.
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Die erfindungsgemässe Lagerung und Abstützung der rotierenden Einheit
kann statt in der Nabe des Laufrades 2 auch ausserhalb des Rohrgehäuses 7 am Kranz
8 angeordnet werden, wie dies in Fig. 1 schematisch als Aussenlagerung dargestellt
ist. Zu diesem Zweck ist am Kranz 8 auf beiden Seiten je ein koaxialer Ring 40 befestigt.
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In Fig. 1 unten greifen an jedem Ring 40 zwei zentrierende Stützkolben
15 an, die als Pfeile symbolisch dargestellt sind. Die beiden Stützkolben jedes
Ringes 40 sind gemäss Fig. 3 symmetrisch zur vertikalen Mittelebene angeordnet.
Gegenbenenfalls kann gemäss Fig.
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3 an jedem Ring 40 zwischen den beiden zugehörigen Stützkolben ein
hydrostatisches Tragelement 20 angeordnet sein oder anstelle eines solchen Tragelementes
ein dritter zentrierender Stützkolben. In Fig.
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1 oben greifen an jedem Ring 40 zwei stützende Vorrichtungen 18 an,
die gemäss Fig. 3 ähnlich wie die Stützkolben 15 symmetrisch zur vertikalen Mittelebene
angeordnet sind.
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Zur Aufnahme des im Normalbetrieb auftretenden Axialschubes sind auch
bei diesem Beispiel zentrierende Stützkolben 15' vorgesehen,
die
über den Umfang des in Fig. 1 rechten Ringes 40 gleichmässig verteilt an diesem
angreifen. In entsprechender Weise sind auf der anderen Seite des Kranzes 8 stützende
Vorrichtungen 18' vorgesehen, die über den Umfang des in Fig. 1 linken Ringes 40
gleichmässig verteilt angeordnet sind.
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Abweichend von dieser beschriebenen Aussenlagerung ist es auch möglich,
die rotierende Einheit durch auf der Innenseite der Ringe 40 angreifende zentrierende
Stützkolben 15 und stützende Vorrichtungen 18 zu lagern, wie dies im Prinzip aus
Fig. 2 hervorgeht.
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Auch bei einer solchen Innenlagerung lassen sich die an den Stirnflächen
der Ringe 40 angreifenden Stützkolben 15' und stützenden Vorrichtungen 18' zur Aufnahme
des im Normalbetrieb auftretenden Axialschubes bzw. der axialen entgegengesetzt
wirkenden dynamischen Kräfte anbringen.
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Abweichend von den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die horizontale
Ebene 14 in Fig. 2'etwas oberhalb oder in Fig. 3 etwas unterhalb der Drehachse 13
liegen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 9 ist bei einer Rohrturbine
die Innenlagerung am Kranz 8 der rotierenden Einheit verwirklicht, wobei ein weiterer
Unterschied zur Anlage nach Fig. 1 darin besteht, dass der Rotor 9 gegenüber dem
Kranz 8 axial verschok ben angeordnet ist, so dass der Schwerpunt der Querschnittsfläche
des Rotors und der Schwerpunkt der Querschnittsfläche des Kranzes nicht in der selben
radialen Ebene liegen. Dementsprechend ist nur ein Ring 40 an der in Fig. 9 rechten
Stirnfläche des Kranzes 8 vorgesehen.
Entsprechend der Anordnung
nach Fig. 2 sind zwei hydrostatische zentrierende Stützkolben 15 oberhalb der Horizontalebene
symmetrisch zur vertikalen Mittelebene angeordnet. In Fig.. 9 ist nur ein Stützkolben
15 zu sehen, der in die Zeichenebene geklappt dargestellt ist. Unterhalb der Horizontalebene
sind drei stützende Vorrichtungen 18 angeordnet, von denen in Fig. 9 nur die in
der Vertikalebene befindliche Vorrichtung zu sehen ist. Auch bei diesem Beispiel
können - wie beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 --gen zentrierende Stützkolben
15' und stützende Vorrichtun/18' an den beiden Stirnflächen des Kranzes 8 angreifend
angebracht sein.
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Auch bei diesen Ausführungsbeispiel ist es möglich, ein oder mehrere
hydrostatische Tragelemente zwischen den zentrierenden StUtzkolben anzubringen.
Im Falle mehrerer Tragelemente können diese in der vertikalen Ebene in axialer Richtung
hintereinander oder auch paarweise symmetrisch zur vertikalen Mittelebene angeordnet
sein.
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Die Innenlagerung ist im allgemeinen vorteilhafter als die Aussenlagerung,
da bei grösserem Durchmesser des Rotors kleinere Stützkräfte aufzubringen sind.