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Die Erfindung betrifft eine Radialströmungs-Wasserkraftmaschine, die entweder nur als Pumpe oder nur als Turbine, aber auch wahlweise als Pumpe oder Turbine betreibbar ist, mit einer Hochdruckstufe und einer Niederdruckstufe, die hydraulisch hintereinander geschaltet und miteinander verbunden sind, mit einem Läufer in jeder dieser Stufen auf einer gemeinsamen Welle, wobei im Gehäuse eine äußere Gegendruckkammer außerhalb eines Läuferabdichtungsteiles vorgesehen ist und eine innere Gegendruckkammer im Inneren des Läuferabdichtungsteiles liegt, während jedem Läufer eine Seitenkammer zugeordnet und den Gegendruckkammern gegenüberliegend angeordnet ist und wobei ferner von der Oberseite des Läufers der Hochdruckstufe über Rohrleitungen, deren Durchfluß über Ventile steuerbar ist, ein Druckausgleich zu Stellen niedrigeren Druckes im Gehäuse erfolgt.
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Durch die US-PS 13 85 115 ist eine Radialströmungs-Pumpe bekannt geworden, bei der der Läufer jeder Druckstufe mit dem Gehäuse drei Kammern begrenzt. Oberhalb des Läufers befindet sich dabei zwischen diesem und dem Gehäuse ein Dichtraum. Eine Kammer außerhalb des Dichtraumes bildet die äußere Gegendruckkammer, und die Kammer innerhalb des Dichtraumes ist als innere Gegendruckkammer wirksam. Im gleichen Umfangsbereich, jedoch jeweils unterhalb des Läufers, befindet sich als dritte Kammer die Seitenkammer.
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Die bekannte Radialströmungs-Pumpe weist zur Verringerung des Axialschubes der Laufradwelle in der Hochdruckstufe eine mit der inneren Gegendruckkammer verbundene Ausgleichskammer auf, die über eine durch Ventile absperrbare Rohrleitung mit dem Einlauf, d. h. mit der Stelle niedrigsten Druckes verbunden werden kann.
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Aus der US-PS 11 51 965 ist entnehmbar, daß derartige Axialschubausgleichsvorrichtungen auch bereits bei Turbinen angewandt wurden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Axialschub der Laufradwelle sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb weiter zu verringern.
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Die Lösung dieser Aufgabe wird dadurch erreicht, daß die Rohrleitungen
- - sowohl die äußere Gegendruckkammer und die Seitenkammer der Hochdruckstufe direkt miteinander
- - als auch diese beiden Kammern mit der Seitenkammer der Niederdruckstufe über eines der Ventile verbinden.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht hauptsächlich darin, daß stets ein Gleichgewichtszustand zwischen der äußeren Gegendruckkammer und der Seitenkammer der Hochdruckstufe gewährleistet wird. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Wasserdruck in der Seitenkammer der Niederdruckstufe zu erhöhen und zwar dadurch, daß diese Seitenkammer mit der äußeren Gegendruckkammer der Hochdruckstufe verbindbar ist. Durch die Anordnung eines Ventils in der Verbindungsleitung zur Seitenkammer der Niederdruckstufe läßt sich der Druck in dieser Seitenkammer auf eine gewünschte Größe einstellen.
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Als vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen, daß bei einer erfindungsgemäßen Radialströmungs-Wasserkraftmaschine, bei der eine der Rohrleitungen über ein anderes der Ventile mit der Stelle niedrigsten Druckes verbunden ist, diese Rohrleitung mit der äußeren Gegendruckkammer und der Seitenkammer der Hochdruckstufe verbunden ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Diese zeigen in
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Fig. 1 einen Schnitt durch eine Radialströmungs-Wasserkraftmaschine konventioneller Bauart, während
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Fig. 2 eine entsprechende Schnittdarstellung durch eine mehrstufige Radialströmungs-Wasserkraftmaschine mit den Erfindungsmerkmalen wiedergibt.
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In den Fig. 1 und 2 der Zeichnung sind vergleichsweise für die gleichen Bauteile übereinstimmende Bezugszeichen verwendet.
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Bei der in Fig. 1 wiedergegebenen Radialströmungs-Wasserkraftmaschine wird der gesamte Axial-Wasserdruck, welcher auf den Läufer der Niederdruckstufe einwirkt, durch die algebraische Addition der Summe aus jeder Hydraulikkraft in den verschiedenen Kammern bestimmt. Demnach ergibt sich die Gleichung:
T&sub1; = Tª&sub1; + T b&sub1; - Tc &sub1; - Td &sub1; - Tr &sub1;.
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In dieser Gleichung sind
- T&sub1; der auf den Läufer einwirkende Axial-Wasserdruck;
- Tª&sub1; der hydraulische Druck in der äußeren Gegendruckkammer der Niederdruckstufe, wobei dieser Druck bei dem in Figur dargestellten System normalerweise nach unten wirkt;
- Tb &sub1; der hydraulische Druck in der inneren Gegendruckkammer der Niederdruckstufe, welcher bei dem in Fig. 1 dargestellten System normalerweise nach unten wirkt;
- Tc &sub1; der hydraulische Druck in der Seitenkammer der Niederdruckstufe, welcher in dem in Fig. 1 dargestellten System normalerweise nach oben wirksam ist.
- Td &sub1; der hydraulische Druck im Läuferaustritt des Niederdruckteils, wobei dieser Druck bei dem in Fig. 1 dargestellten System normalerweise nach oben wirkt, und
- Tr &sub1; die von dem durch den Läufer fließenden Wasser hervorgerufene Reaktionskraft, welche bei dem in Fig. 1 dargestellten System normalerweise nach oben wirkt.
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In entsprechender Weise bestimmt sich auch der Axial-Wasserdruck T&sub2;, welcher auf den Läufer 3 der Hochdruckstufe 3, 4 einwirkt, nach der Gleichung
T&sub2; = Tª&sub2; + Tb &sub2; - Tc &sub2; - T d&sub2; - Tr &sub2;,
welche sich von der vorhergehenden Formel nur dadurch unterscheidet, daß anstelle der Indizes 1 die Indizes 2 stehen. Der aus der Niederdruckstufe 1, 2 und der Hochdruckstufe 3, 4 resultierende, gesamte Axial-Wasserdruck ist somit
T = T&sub1; + T&sub2;.
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Der gesamte Axial-Wasserdruck T wirkt dabei normalerweise in Abwärtsrichtung von der Hochdruckstufe 3, 4 zur Niederdruckstufe 1, 2, wobei eine Druckkraft auf das Läufersystem der Wasserkraftmaschine übertragen wird. Ein zu hoher Axial-Wasserdruck kann dabei zu Schäden an den Lagern eines auf der Welle sitzenden Generators oder Elektromotors führen. Deshalb ist es bei mehrstufigen Wasserkraftmaschinen wichtig, den gesamten Axial-Wasserdruck T zu steuern.
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Zu diesem Zweck ist gemäß Fig. 2 in der Hochdruckstufe 3, 4 die äußere Gegendruckkammer 8 b mit der Seitenkammer 10 b über eine Rohrleitung 12, 14 direkt verbunden. Ein weiterführendes Teilstück 12 a der Rohrleitung 12, in welchem ein Regelventil 13 angeordnet ist, steht mit der Seitenkammer 10 a der Niederdruckstufe 1, 2 in Verbindung.
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Weiterhin ist bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer Wasserkraftmaschine an das weiterführende Teilstück 12 a der Rohrleitung 12, und zwar in der der Niederdruckstufe 1, 2 abgewendeten Seite des Regelventils 13, eine Rohrleitung 15 angeschlossen, die in das Saugrohr 6 der Wasserkraftmaschine einmündet und in welcher ein Ventil 16 sitzt.
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Beim Betrieb der Wasserkraftmaschine wird über die Rohrleitung 12, 12 a die zur Niederdruckstufe 1, 2 gehörende Seitenkammer 10 a durch das aus der Hochdruckstufe 3, 4 austretende Hochdruckwasser mit Druck beaufschlagt. Dadurch wird der hydraulische Druck Tc &sub1;, also die Hydraulikkraft, welche in der Seitenkammer 10 a nach oben wirkt, erhöht und verstärkt. Gleichzeitig wird aber die zur Hochdruckstufe 3, 4 gehörende äußere Gegendruckkammer 8 b entlastet. Das hat wiederum zur Folge, daß die Hydraulikkraft, bzw. der hydraulische Druck Tª&sub2;, welche bzw. welcher in Abwärtsrichtung wirkt, sich verringert. Es wird damit erreicht, daß sowohl der Axial-Wasserdruck T&sub1; der Niederdruckstufe 1, 2 als auch der Axial-Wasserdruck T&sub2; der Hochdruckstufe 3, 4 verringert werden.
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Durch geeignete Einstellung des Regelventils 13 ist es dabei möglich, das aus der Hochdruckstufe 3, 4 austretende Hochdruckwasser so zu regulieren, daß der normalerweise nach unten gerichtete Axial-Wasserdruck T in umgekehrter Richtung, also nach oben, wirksam wird. Auf diese Weise kann dann auch die Stabilität des Axial-Wasserdruckes überwacht, gesteuert und geregelt werden.
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Es ist ohne weiteres klar, daß durch die Weiterleitung des Druckwassers in die Niederdruckstufe 1, 2 auch in der zur Hochdruckstufe 3, 4 gehörenden Gegendruckkammer 8 b ein Druckabfall hervorgerufen wird. Weil nämlich die Seitenkammer 10 b der Hochdruckstufe 3, 4 mit der äußeren Gegendruckkammer 8 b derselben in Verbindung steht, wird der Wasserdruck in der Seitenkammer 10 b auch dem Wasserdruck in der äußeren Gegendruckkammer 8 b angeglichen. Hieraus ergibt sich aber, daß dann, wenn der Wasserdruck Tª&sub2; in der äußeren Gegendruckkammer 8 b abfällt und geringer wird, selbstverständlich auch der Wasserdruck Tc &sub2; in der Seitenkammer 10 b entsprechend abfällt bzw. geringer wird.
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Der im Saugrohr 6 vorhandene Wasserdruck ist für gewöhnlich der niedrigste aller Wasserdrücke der Wasserkraftmaschine.
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Wenn die Wasserkraftmaschine nicht als Turbine, sondern als Pumpe betrieben wird, ergibt sich durch die vorstehend anhand der Fig. 2 beschriebene Ausbildung der zusätzliche Vorteil, daß das Antriebsmoment für den Antrieb der Pumpe reduziert wird, solange sich die Läufer vor dem Einsetzen der Pumpwirkung in Luft drehen. Das Antriebsmoment der sich in Luft drehenden Läufer wird zwar durch das von den Leitschaufeln 2 und 4 in die entsprechenden Läufer 1 und 3 einlaufende Leckwasser erhöht. Da jedoch die Seitenkammern 10 a und 10 b über die Rohrleitungen 12 und 14 jeweils mit den äußeren Enden der Läufer 1 und 3 verbunden sind und das Wasser über die Rohrleitung 15 in das Saugrohr 6 geleitet werden kann, läßt sich verhindern, daß Leckwasser in die Läufer 1 und 3 gelangt.