DE3040468A1

DE3040468A1 - Mehrstufige wasserkraftmaschine

Info

Publication number: DE3040468A1
Application number: DE19803040468
Authority: DE
Inventors: Kentaro Chigasaki Ichikawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1979-10-29
Filing date: 1980-10-27
Publication date: 1981-05-07
Also published as: CH658495A5; DE3040468C2; US4406577A; US4547123A

Description

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Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawacho, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken (Japan)

Mehrstuf ige Wasserkraftmaschine

Diese Erfindung befafit sich mit einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine und mit einem Verfahren zum Betreiben einer solchen Maschine.

Seit kurzem werden hydroelektrische Pumpenspeicherkraftwerke an Stellen gebaut, wo ein hoher Wasserdruck erzielt werden kann, was wiederum zur Folge hat, daß der Bedarf und die Nachfrage nach mehrstufigen Wasserkraftmaschinen, beispielsweise nach mehrstufigen Pumpenturb i nen,- s fand i g im Wachsen ist. Weil mehrstufige Puiiipenturb inen k'onventi one 1 ler Ausführung nicht mit beweglichen Führungsschaufeln versehen sind, müssen diese, wenn sie als Pumpe arbeiten sollen, im Wasser anlaufen. Eine mehrstufige Pumpe'nturbine, die für eine hohe Leistung ausgelegt ist, benötigt jedoch dann, wenn sie als Pumpe arbeiten und im Wasser anlaufen soll, eine sehr hohe Start- und Eingangsenergie. Diese AnIaufmethode beeinträchtigt also sehr stark das Elektronetz, in das die Pumpenturbine geschaltet ist. Besonders stark beeinträchtigt wird das Betriebs vernal ten eines solchen Systemes dann, wenn man ökonomische und wirtschaftliche Gründe dafür in Rechnung setzt. Aus diesem Grunde wird seit kurzem für die Entwicklung von niehrs tuf t i gen Was serkraf tiiuiscli i neu großer Leistung ein Phasenschieberbetrieb und eine Verzögerung des Pumpenbetriebes verlangt, wenn der Läufer sich in Luft drehen soll. Um diese Forderungen erfüllen zu

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können, ist es wichtig, daß eine mehrstufige Wasserkraftmaschine, die als Pumpe arbeiten soll, dann für den Betrieb als Pumpe in Luft gestartet und in Betrieb genommen wird, wenn der Wasserspiegel so weit abgesenkt worden ist, daß der Läufer der Wasserkraftmaschine mit dem Wasser nicht mehr in Kontakt steht.

Bei einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine konventioneller Art ist die Struktur des für den Wasserdurchlauf bestimmten Weges jedoch so kompliziert, daß es schwierig war und schwierig ist, ohne Entleerungsverzögerungen, die komprimierte Luft, welche in einem jeden Läufergehäuse oder in einer jeden Kammer enthalten ist, vollständig zum Verschwinden zu bringen. Aus diesem Grunde war und ist es schwierig eine mehrstufige Wasserkraftmaschine als eine in Luft arbeitende Pumpe zu starten und anlaufen zu lassen, dementsprechend gestaltete sich oder gestaltet sich auch der Phasenschieberbetrieb oder der verzögerte Pumpenbetrieb als schwierig.

Die Erfindung stellt sich somit die nachstehend angeführten Aufgaben:-

Eine mehrstufige Wasserkraftmaschine zu schaffen, welche die im Läufergehäuse oder in der Kammer enthaltene komprimierte Luft ohne Entleerungsverzögerung vollständig herausdrücken kann.

Eine mehrstufige Wasserkraftmaschine zu schaffen, welche als Pumpe an Luft gestartet und in Betrieb genommen werden kann, und zwar unter der Bedingung, daß der Wasserspiegel dabei so weit abgesenkt wird, daß er den Läufer der Wasserkraftmaschine nicht mehr berührt.

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Eine mehrstufige Wasserkraftmaschine zu schaffen, die als Phasenschieber betrieben werden kann und die mit verzögertem Pumpenbetrieb arbeiten kann.

Ein neuartiges Verfahren für das Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine zu entwickeln und zu schaffen, mit dem ohne Entleerungsverzögerung die in den Läufergehäusen oder Läuferkammern enthaltene komprimierte Luft vollständig abgeführt und zum Verschwinden gebracht werden kann.

Ein Verfahren für das Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine zu entwickeln und zu schaffen, mit dem die Wasserkraftmaschine dann als Pumpe an Luft gestartet und in Betrieb genommen werden kann, wenn der Wasserspiegel so weit abgesenkt worden ist, daß zwischen Läufer und Wasser keine Berührung mehr gegeben ist.

Fernerhin auch noch ein Verfahren zu entwickeln und zu schaffen für das Betreib-en einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine, mit dem diese Wasserkraftmaschine als Phasenschieber betrieben und gefahren werden kann oder aber mit Verzögerung im Pump betrieb.

Die Erfindung löst die ihr gestellten Aufgaben dadurch, daß sie eine mehrstufige und mehrere Läufer aufweisende Wasserkraftmaschine vorsieht, qobei ein jeder Läufer ein Läufergehäuse und eine Läuferkrone aufzuweisen hat, die dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Entlüfungsdurchlaß (29 und 32) von der Wasserseite eines jeden der Läufer bis zu dessen Rückseite gebohrt ist, daß weiterhi-n

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einem jedem der vorerwähnten Läufergehäusen oder einer jeden der zuvor angeführten Lauferkanimern eine Entleerungskammer am Ausgangsteil des Entleerungsdurchlasses zugeordnet ist, wobei am radial äußeren Teil einer jeden der zuvor angeführten Entleerungskammern ein jeder der Entleerungsdurchlässe jeweils mit einer Wasserabdichtungsvorrichtung versehen ist, wobei schließlich auch noch eine Vorrichtung vorhanden ist, welche die in jeder der vorerwähnten En tieerungskammern enthaltene Luft zur Außenseite der Maschine hin abführt.

Die Erfindung löst die ihr gestellten Aufgaben ebenfalls dadurch, daß sie ein Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine vorsieht. Zu diesem Verfahren gehören die nachstehend angeführten Einzelschritte:-

Das vollständige Schließen der zur höchsten Druckstufe gehörenden Führungsschaufeln. .

Das Zuführen von Luft in jedes Läufergehäuse, um dadurch den Wasserspiegel derart nach unten zu Drücken, daß der Läufer der niedrigsten Druckstufe nicht.mehr von Wasser umgeben ist.

Das Starten und Inbetriebnehmen der Läufer in Luft.

Das Ausblasen der im Läufer gehäuse der höchsten Druckstufe enthaltenen Luft mit dem Zweck, dem Läufergehäuse der höchsten Druckstufe über dessen .RücklaufIeitung Wasser zuzuführen.

Das Messen und ERfassen der Luft, die noch im dem Läufergehäuse der höchsten Druckstufe enthalten ist,

schließlich auch noch das Ausblasen und Entfernen

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der in jedem der übrigen Läufergehäuse enthaltenen Luft dann, wenn das Volumen der Luft einen vorgegebenen Wert erreicht.

Gegenstand dieser Erfindung ist somit eine mehrstufige Wasserkraftmaschine. Zu dieser mehrstufigen Wasserkraftmaschine gehören:- mehrere Läufergehäuse oder Lauf erkamnie rn mit darin angeordneten Läufern; eine obere Abdeckung und ein Drehzahl ring; eine Reihe von entfernbaren Führungsschaufeln an einem Außenteil des Läufergehäuses oder der Läuferkammer der höchsten Druckstufe, wobei ein jeder der Läufer eine Läuferkrone mit einer darin eingearbeiteten Entleerungsbohrung aufzuweisen hat. Zu einem jeden Läufergehäuse oder zu einer jeden Läuferkammer gehört eine Entleerungskammer, die am Ausgangsteil des Entleerungsdurchlasses angeordnet ist und am radial äußeren Teil der Entleerungskammer eine , Wasserabdichtungs vorrichtung aufzuweisen hat. Zwischen einer jeden der Entleerungskaitimer und der Außenseite der Mas-chine ist jeweils eine Entleerungsleitung angeordnet.

Gegenstand der Erfindung ist auch noch ein Verfahren zum Betreiben der vorerwähnten Maschine, auch dieses Verfahren ist beschrieben. ■

Die Erfindung wird nachstehend nun anhand des in Zeichnung dargestellten Ausf Uhrungsbeispieles, (der.· in Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele) näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:-

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Fig. 1 Einen Vertikaischnitt durch eine zweistufige Pumpenturbine als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 2 Schematische Vertikalschnitte durch die mit Fig. 1 wiedergegebene Pumpenturbine. Dargestellt ist das Verfahren des Startens der zweistufigen Pumpenturbine als eine in Luft arbeitende Pumpe.

Fig. 5 Schematisehe Vertikalschnitte durch eine ^1S für das Abdichten und Absperren des Wassers in einer zweistufigen Pumpenturbine bestimm ten Vorrichtung. Dies als ein anderes bevorzugtes Ausführungsbeispiel der ERfindung.

Wie nun anhand der Zeichnung, insbesondere aber anhand von Fig. 1 zu erkennen ist - gleiche oder ähnliche Teile sind in den verschiedenen Darstellungen auch mit den gleichen allgemeinen Hinweiszahlen gekennzeichnet, ist die Hauptwelle der zweistufigen Pumpenturbine mit der allgemeinen Hinweiszahl 1 gekennzeichnet. Auf dieser Hauptwelle 1 sitzen ein Läufer 2 einer Hochdruckstufe und ein Läufer 3 einer Niederdruckstufe. Der Abstand zwischen den beiden auf der Hauptwelle sitzenden Läufern 2 und 3 ist mit einem Distanzblock 4 ausgefüllt. Der Läufer 2 ist in das Läufergehäuse oder in die Läuferkammer 5 einer Hochdruckstufe eingebaut, während der Läufer 3 in die Läuferkammer oder in das Läufergehäuse G einer Niederdruckstufe eingebaut ist.

Zur Wasserkraftmaschine gehören auch noch eine obere Abdeckung 7, die oberhalb des Läufers 2 angeord-

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net ist, und eine unterhalb des Läufers 3 angeordnete untere Abdeckung 8. Vorhanden sind weiterhin auch noch die beweglichen Führungsschaufeln 10, mit denen der jeweils zutreffende Öffnunszustand der Einlauföffnung am radialen Außenteil des Läufers 2 z-wischen der oberen Abdeckung.bzw. dem Oberteil, 7 und der unteren Abdeckung bzw. dem Unterteil 8 eingestellt werden kann. Eine Einstellmechanik 11 - diese ist zum Betätigen der Führungsschaufein bestimmt - ist mit den oberen Enden der oberen Zapfen 10a der Führungsschaufeln 10 verbunden. Das öffnen und schließen der Führungsschaufeln 10 wird über einen Führungsring 12 der Einstel!mechanik 11 in bekannter Weise bewerkstelligt.

In einem spiralförmigen Gehäuse 14 sind die Führungsschaufeln 10 von stationären Schaufeln 13 umgeben, die mit dem Gehäuwe 14- integral oder in einem Stück gearbeitet sind. Ein Unterteil 16, zu. welchem die mit diesem Unterteil in einem Stück gearbeiteten integralen Schaufeln 15 gehören, ist unter dem Läufer 3 angeordnet und montiert. Der untere Teil des Unterteiles 16 steht mvt einem Abzugsrohr in Verbindung, d.h. mit dem Rohr 17. Ein Laufring 18, der zwischengeschaltet iat,- weist eine Anzahl von mehreren Rücklaufsch-aufeTn 19 auf, der Durchlaß zwischen den Rücklaufschaufeln 19 bildet den Rücklaufweg.

Zwischen dem intermediären Laufring 18 und dem Unterteil oder der unteren Abdeckung 16 ebenfalls vorhanden ist ein Außenrohr 21, das außen angebracht ist und einen Rück laufweg 20 bildete

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Die Wasserabdichtung 22, die zwischen der zum Läufer oder Rotor 2 gehörenden Lauferkrone 2a und der oberen Abdeckung oder dem Oberteil 7 vorhanden ist, besteht aus dem Labyrinthkanal24, der zwischen der Beschichtung 22 des Oberteil-es oder de-r oberen Abdeckung 7 und einem Dichtungsring 2h der Läuferkrone 2a angeordnet ist. In ähnlicher Weise ist die Wasserabdichtung 25 zwischen der zum Läufer 3 gehörenden -Lä^ferkrone 3^ und dem dazwischen angeordneten Laufring 18 angeordnet ist. Zu dieser Wasserabdichtung 25 gehört-ein Labyrinthkanal 26, der zwischen dem Laufring 18 und einem Dichtungsring 3b der Läuferkrone vorhanden und angeordnet ist.

Für die Hochdruckstufe ist eine Entleerungskammer oder Ausblaskammer 28 in den in Radi alrichtung gelegenen Inneren Teil der Abdichtungsvorrichtung Je-S Läufers 2 vorhanden. Du^ch die Läuferkrone 2a des Läufers 2 ist eine Entleerungs-und Ausßöffnu-ng 29 geboJirt, <iie den unteren Teil der Läuferkrone 2a mit tier Entleerungskatnmer oder Ausbl^askammer 28 verbindet^ An den oberen Teil der Enileerun^skammer oder Ausblaskammer 28 angeschlossen ist wiederum das Ende eines Entleerungsrohres oder Ausblasrohres 30, d.h. das Rohrende 30a, durch welches die im Inneren der Kammer 28 befindliche Luft abgeführt werden kann. Eine ähnliche Entleerungskammer oder Ausblaskammer ist auch für die Niederdruckstufe vorgesehen. Diese Entleerungskammer 31 beindet sich im radial inneren Teil der zum Läufer 3 gehörenden Wasserabdichtungsvorrichiung 25. Ein Ent-

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leerungsdurchlaß oder Ausblasdurchlaß 32 ist durch die Läuferkrone 3a des Läufers oder Rotors 3 bebohrt. Dieser Durchlaß 32 verbindet den unteren Teil -der Läuferkrone 3a mit der "Entleerungskammer/ ÄJLJsbl askammer 31.Mit ihrem oberen Tei^ wiederum steht die Entleeru-ngskammer 31 mit einem Enleerungs durchlaß 33 33 in Verbindung^ welcher du-rch den zwischengeschalteten Läuierrin^j 19 und dessen Rückführungsschaufel 19 gebohrt ist. An den EntJeerungsdurchlaß angeschlossen ist erä Entleerungsrohr oder Ausblasrohr 14, über das die im in-neren der Entleerungskammer/Ausb1askammer 31 enthaltene Luft abgeführt werden kann.

Die Entleerungsventile oder Auslaßventile 30V, 34V sind jeweils in die Entleerungsrohre 30 und 34 eingebaut. Das eine Ende eines Meßrohres 51 ist an einen vorgegebenen Bereich der oberen Abdeckung oder des Oberteiles 7 der -Läuferkammer 8 d,er Hochdruckseite derart angeschlossen, daß im Inneren dieser K-animer der jeweilige Stand der von der Außen seite zur Innenseite des zum Läufer 2 gehörenden Gegendruckkammer oder Staudruckkammer fließenden Wassers gemessen und erfaßt werden kann. Das Meßrohr 51 is-t mit seinem anderen Ende an ein Meßrelais 52 angeschlossen, dessen Ausgangssi-gnal dem Entleerungsventil oder Auslaßventil 34V zugeführt und aufgeschaltet wird. Wenn die zuvor beschriebene zweistufige Pumpenturbine als Turbine arbeitet, dann fließt von der Turbinenleitun-g aus - diese Turbinetileitung ist nicht dargestellt -

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das Wasser in das Spiralgehäuse 14 der Wasserkraftmaschine hinein. Dieses Wasser strömt dann weiter zwischen den Fphrungsschaufein 10 hindurch, durch den Läufer oder Rotor 2, dann in die Rücklaufleitung 20, in den Läufer 3, um schließlich wieder durch das Ablaufrohr 17 aus der Turbine herauszuströmen.

Wird demgegenüber die zweistufige Pumpenturb-ine als Pumpe betrieben, dann fließt das Wasser von der AbI aufIeitung 17 aus zur Turbinenleitung, und zwar entlang einem dem Turbinenbetrieb umgekehrten Weg. Nachstehend soll nun das Starten und Inbetriebnehmen der zuvor beschriebenen zweistufigen Pumpenturbine als Pumpe ganz ausführlich und detailliert beschrieben werden:.. -

Fig. 2 zeigt, daß in das Läufergehäuse oder in die Läuferkammer 5 der Hochdruckstufe durch ein (nicht dargestelltes Druckluftzuführungsrohr da-nn Druckluft eingeblasen wird, wenn die Führungsschaufeln 10 vollständig geschlossen sind. Das hat wiederum zur Folge, daß das Wasser _r welches in der Läuferkammer oder im Läufergehäuse oder unter diesem Laufergehäuse vorhandene Wasser nach unten gedrückt wird, und z-war durch das Läufergehäuse oder die Läuferkammer 6, durch die Rück 1 aufschaufe1 π 19 und durch die Rücklaufleitung 20. Das Wasser kann dabei möglicherweise den im Ablaufrohr 17, das unter der Läuferkammer 6 liegt, dargestellten Wasserstand WL erreichen. Das hat zur Folge, daß die Läufer/Rotoren 2 und 3 einen geringeren Drehbewegungswiderstand haben und in Luft als Pumpe mit einem Anlasser kleiner

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Leistung gestartet und eingeschaltet werden können. Nach dem Einschalten und Starten wird die zweistufige Pumpen turbine zum Elektronetz außerhalb parallelgeschaltet, während gleichzeitig über das Entlee rungsrohr 30 das Absaugen der Luft beginnt. Das Fortschreiten des Luftabsaugvorganges bewirkt, daß der Wasserspiegel WL im Ablaufrohr 17 ansteigt und schließlich den Läufer 3 erreicht. Das den Läufer/Rotor 3 erreichende Wasser wird von der Zentrifugalkraft des sich drehenden Läufers 3 in Radi alri chtung nach außen geschleudert, wie. dies mit Fig. 3 verdeutlicht und dargestellt ist. Während dieser Zeit erbleibt Luft im mittleren Teil des Läufers 3, weil das spezifische Gewicht von Luft sehr klein ist. An der Außenfläche -der verbleibenden Luft liegt somit ein Wall aus Wasser an. Das Weiterführen des Luftabsaugvorganges hat zur Folge, daß der Wasserspiegel WL ansteigt und schließlich den Läufer/Rotor 2 erreicht. Auch hier wird das Wasser von der Zentrifugalwirkung des sich drehenden Laufers/Rators 3 radial nach außen geschleudert. Weil nun aber die Führungsschaufeln 10 vollständig geschlossen sind, bewegt sich das Wasser in der Läuferkammer oder im Läufergehäuse entlang der Innenwandung. Schließlich bewegt sich die Oberfläche des Wasserwalles allmählich radial nach innen und erreicht dabei den mit Fig. 4 wiedergegebenen Zustand.

Wenn das Volumen der im Laufergehäuse'oder in der Läuferkammer 5 enthaltenen Luft nahezu gleich dem

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Volumen der im Läufergehäuse oder in der Läuferkammer 6 verbleibenden Luft ist, d^ann wird das Entleeru-ngsrohr 34 der Niederdruckstufe geöffnet und mit dem Abführen una Ausblasen der Luft aus dem Läufergehäuse oder aus der Läuferkammer 6 begonnen. Das Absaugen der Luft wird fortgesetzt, wobei ein Gleich· gewicht zwischen der im Läufergehäuse 5 befindlichen -Wassennenge und der im Läufergehäuse 6 befindlichen Wasserjiientje beibehalten wird. Ist das Absaugen oder Ausblasen der tuft abgeschlossen, wird die Führungsschaufel 10 geöffnet, wird mit dem Pumpenbetrieb der zweistufigen Pumpenturbine begonnen. Nachstehend soll nun beschrieben werden, wie das Absaugen oder Ausblasen der Luft gesteuert und geregelt wird:-

Bei einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine konventioneller Art ist und war das Abführen der verbleibenden Luft ohne Entleerungsverzögerung schwierig. Zum Ausführungsbeispiel dieser Erfindung gehören jedoch die Entleerungskammern/Absaugkanimern 2G und 31, die den Ausgängen der Entleerungsdurchlässe 29 und 32 - diese jeweils durch die Läuferkronen 2a und 3a der Läufer .2 und 3. gebohrt - zugeordnet sind. Zur Wasserkraftmaschine dieser Erfindung gehören aber auch noch die Vorrichtungen 22 und 25 für das Absperren und Abdichten des Wassers, denen wiederum die -Labyrinthdurchlässe 24 und 26 an der Außenseite der Entleerungskammern 28 und 31 zugeordnet sind oiruj an tier -Rückseite der Läuferkronen 2a und 3a. Die in den Läufergehäusen oder in den Läuferkammem

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5 UiKi 6 befindliche Luft kann deshalb leicht jnach außen abgeführt werden, und zwar ohne die Entlüftungsverzögerung, welche bei mehrstufigen Wasserkraftniaschinen konventioneller Art so häufig vorkommt. ; ■

Bei dem bisher beschri-e-benen Ausführungsbeispi-e^ ^ind <Jie zu den Wasserdichtungen gehörenden Labyr4nth-durchlässe 24 und 26 zwischen der oberen Abdekk-ung oder dem Oberteil 7 u?kJ dem dazwischen angeordneten laufring 18 jeweils ange-ordnet. Die Erfindung beschränkt sict -ab-er .nicht-auf ein AusfuhrungstieT-spiel -dieser Art. Wie aas Fig.; 5 zu erkenn-e-n ist, sind eine Reih« von -Rippen J6 an der Rückseite der Läuferkrone 3a und -am radial z-ugfi ordnete η AußenteiT der Entle-erungskammer an Stelle 4-er Wasserabdichtung angeordnet und montiert. Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 wird das Wasser von dem Druck, der von der Zentrifugalkraft der Rippen erzeugt wird, daran gehindert, in Radialrichtung in die Lücke zwischen der Läuferkrone 3a und dem Laufring 18 zu strömen, und dies bringt den für das Abdichten und Absperren des Wassers wünschenswerten Effekt.

Was das mit Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft-, so sind die Entleerungsdurch lässe/Entl üftungsdurch1ässe 29 und 32 in einer fast parallelen Zurordnung zur Achse der Hauptwelle 1 durch die Laufe.rkronen 2a un-d 3a gebohrt. Bei einem anderen ■Ausführun'ysbeispie 1 3er Erfindu-Rg aber, beispielsweise be-i dem rai-4: -Fig. 6-w'iedergegebenen Ausfü-hrungsbeispiel, kann der Ausgang 32 des dur-ch den Läufer

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der Niederdruckstufe gebohrten Entleerungsdurchlasses/Entlüfungsdurchlasses näher an der Hauptwelle liegen als der Eingang 32· dieses Entleerungsdurchlasses oder Entlüftungsdurchlasses. Das aber bedeutet wiederum daß der Entlüftungsdurchlaß/Entleerungsdurchlaß so angeordnet werden kann, daß er zur Hauptwelle hin einen bestimmten Winkel bildet.

Ein derart konstruierter Entleerungsdurchlaß/Entlüftungsdurch1 aß 32 bewirkt, daß sich von der Entleer ungs kammer /Ent llif tun gs kammer 31 aus zur Wasserströmungsseite hin wegen der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten des Wassers - verursacht durch die in Radialrichtung verschiedenartige Anordnung des Einganges 32^ und des Ausganges 32q ein Druck aufbaut. Dieser läßt das Wasser in die Entleerungskammer 31 strömen, und zwar durch die Wasserabdichtungsvorrichtung, welche nicht vollständig dicht ist, und veranlaßt eine Wasserabführung durch die Entlerrungsbohrung 32. Dadurch wiederum wird verhindert, daß das Wasser den Eingangsteil des Entleerungsrohres/EntTliftungsrohres 33 blokkiert und versperrt. Ist der Läufer 3 bis zum Einlaß 32· des Entleerungsdurchlasses 32 mit Wasser gefüllt, dann wird das Wasser am Eindringen in die Entleerungskammer/Entlüftungskammer 31 über den Entleerungsdurchlaß 32 gehindert. Wie dies zuvor bereits beschrieben worden ist, kann bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung die noch im Läufergehäuse oder in der Läuferkammer befindliche Luft

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noch besser und noch vollständiger abgeführt werden. Fig. 7 zeigt nun ein wiederum anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei der ein ringförmiges Trennelement 40 in der Entleerungskammer/Ent-IUftungskammer 32 zwischen dem Eingang 32· und dem Ausgang 32 des Entleeerungsweges/Enflüftungsweges 33 angeordnet und montiert ist. DerAußenumfang des ringförmigen Trennelementes 40 ist mit dem Laufring 18 integral und in einem Stück gearbeitet. Zwischen dem inneren Umfang des Trennelementes 40 und der Innenumfangsf1äche des äußeren Kantenteiles des Laufringes 18 entsteht dadurch eine zylindrische Lücke oder eine zylindrische Öffnung 38. Wenn bei diesem Ausführungsbeispiel das Wasser in die Entleerungskammer/Entlüftungskammer 31 fließt, dann fließt dieses Wasser an dem Außenumfang der Entleerungskammer/Entlüftungskammer 31 entlang, was wiederum bewirkt, daß wegen des verschiedenartigen spezifischen Gewichtes von Luft und von Was-Wasser und wegen der in dieser Kammer 31 auf das Wasser einwirkenden Zentrifugalkraft Wasser und Luft in der Entlüftungs'kammer-/Entleerungskammer 31 getrennt gehalten werden. Das aber bedeutet nichts anderes, als daß nur die.Luft in der Entleerungskammer/Entlüftungskammer 31 durch den zylindrischen Spalt oder durch die zylindrische Öffnung 38 nahe der Hauptwelle 1 strömen kann, und dies wiederum bedeutet, daß die Luft besser und vollständiger abgeführt werden kann.

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In -Fig. 8, die ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes zeigt, ist der Endteil 41 des Emtlüfungsweges 33 in der Entleerungskammer/ Ent!üftungskammer 31 als ein L-förmiges Rohr ausgeführt, wobei der Öffnungsteil 41a des Teiles 41 am höchsten und innersten Teil der Entleerungskammer/Entlüftungskammer 31 angeordnet ist. In der Entleerungskammer/Entlüftungskammer 31 wird das Wasser zum Bereich des Außenumfages gedrückt, die Luft aber zum oberen und innren Umfangsbereich, so daß dadurch wiederum die Luft besser und vollständiger abgeführt werden kann.

Bei den zuvor dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispielen wird die Erfindung angewendet, bei einer zweistufigen Pumpenturbine mit beweglichen Führungsschaufeln in der Hochdruckstufe. Die Erfindung kann aber auch bei einer zweistufigen Pumpenturbine Anwendung finden, bei der bewegliche Führungsschaufeln sowohl in der Hochdruckstufe als auch in der Niederdruckstufe angeordnet und montiert sind. Die Erfindung läßt sich darüber hinaus auch bei Wasserskraftmaschinen einsetzen, die zwei und mehr Stufen haben.

Nachstehend soll nun ein Verfahren zum Betreiben von mehrstufigen Wasserkraftmaschinen - dieses Verfahren im Rahmen dieser Erfindung entwickelt ausführlich erläutert und beschrieben werden:-

Für die Beschreibung sei angenommen, die mit -Fig. dargestellte zweistufige Turbinenpumpe habe den mit Fig. 4 wiedergegebenen Betriebszustand erreicht.

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Das Abführen oder Absaugen der Luft aus dew Läufergehäuse oder aus der läuferkammer der Hochdruckstufe bewirkt, daß das Volumen VH der in diesem Läufergehäuse oder in dieser Läuferkammer 5 enthaltenen Luft nach und nach kleiner wird und schließlich gleich dem Volumen VL -der Lu.ft wird, die in dem Läufergehäuse oder in der Läuferkammer 6 der Niederdruckstufe enthalten ist. Dieser Zustand wird von dem Meßrohr/der M-eßJeitung 51 gemessen und erfaßt, dessen vorgegebene Position der Radialposition entspricht, in welcher das Volumen VH gleich dem Volumen VL ist. Diese Position ist früher und bisher durch Berechnung oder durch Experiment ermittelt und bestimmt worden, wie dies den Fachleuten noch gut bekannt sein dürfte. Der Gleichgewichtszustand zwischen dem Volumen VH und dem Volumen VL wird vo-m Meßrelais 52 über das Meßrohr oder die Meßleitung 51 angemessen, wobei das R-elais 52 dann ein Ausgangssignal erzeugt, welches das Entleerungsventil oder Entlüftungsventil 34V öffnet. Nun wird die noch im Läufergehäuse 6 der Niederdruckstufe befindliche Luft über den Entleerungsdurchlaß 33 und über die Entleerungslfi tung/Entlüf tuirgslei tung 34 abgeführt. Hier sei angenommen, daß es sich bei jedem Entleerungsdurchlaß oder Entlüftungsdurchlaß von der Entleerungskammer/Entlüftungsicamrner zur Außen atmosphäre hin annähnernd lim eine Ausfächerungsdiise handele und daß es sich bei der die Düse -passierenden Luftuni ein ideales und sich adiabetisch ausdehnendes Gas handele. Der Gesamtdruck P der

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in dem Läufergehäuse oder in der Lauferkammer enthaltenen Luft kann als ein statischer Druck P-betrachtet werden, weil die Strömungsgeschwindigkeit der im Läufergehäuse oder in der Lauferkammer enthaltenen Luft viel kleiner ist als die Strömungsgeschwindigkeit der Luft, welche durch die Düse strömt. Der kritische Druck kann aus diesem Grunde mit der nachstehend angeführten Gleichung (1) berechnet und bestimi.it werden;-

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P =
c

K + 1

K - 1

so

K + 1

K - 1

O)

In der Gleichung steht das Symbol K für die spezifische Wärme oder Stoffwärme. (In diesem Falle ist die spezifische Wärme K für Luft ^ 1.40).

Weil das Ende des Entleerungsdurchlasses/Ent Vüftungsdurchl asses zu Atmosphäre h.in geöffnet ist, wird der Gegendruck oder Staudruck dor Düse gleich P₂ = 1 (kg/cm²).

Wenn der Wert von P unter Verwendung der Gleichung (1) berechnet und bestimmt werden soll, und zviar mit P = Po» dann wird P_$o wie folgt berechnet und bestimmt:-

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P₅₀ = 1.89 (kg/cm²) = 18.9 (Meter Wassersäule}.

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Bei einer mehrstufigen Pumpenturbine ist im allgemeinen eine erzwungene Druckhöhe oder ein erzwungener Druck von 20 m mindestens vorgesehen. Der kritische Druck P beträgt dannin jeder Druckstufe

P " -c -'■

Aus diesem Grunde ist auch Strömungsgeschwindigkeit GS (kg/s) der aus der Düse austretenden Luft begrenzt durch die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im engsten Querschnittsbereich der Düse (Engstellenposition). Die Strömungsgeschwindigkeit GS wird an dieser Stelle deswegen mit der nachstehend angeführten Gleichung (2) bestimmt:-

GS = Ac ^g . k ₍-_r^-_T4 - P₅₀ · r (2)

In die Gleichung eingesetzt sin-d: Ac für den Querschnittsbereich an der engsten Stelle, r für das spezifische Gewicht von Luft und g für die Erdbeschleunigung.

Die Entleerungszeit/Entlüftungszeit wird deshalb mit der nachstehend angeführten Gleichung (3) bestimmt und berechnet, wobei für diese Zeit t eingesetzt wird :-

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Gs Ac

V _q k/_2

V _ J 2 / IT^T Pso

k/

= C.V ^! (3)

V Pso .v

In diese Gleichung sind die nachstehend angeführten Größen eingesetzt:-

V - Volumen der stehenden (staying) Luft, ν = spezifisches Volunienen ( = l/r),

C = Konstante mit C =

Ac

/ _v · K + 1

¹ 1 K~^T

Bei einem idealen Gas gilt :-
Pso .v = R . To = konstant,

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Damit aber ist verständlich, daß die Entleerungszeit oder Entlüftungszeit t in jeder Druckstufe dem Volumen V der vorhandenen Luft proportional ist.

Das Entleerungsventil oder Entlüftungsventi1 34V wird aus diesem Grunde dann geöffnet, wenn das Volumen VH der in der Läuferkammer oder in dem Läufergehäuse 5 der Hochdruckstufe vorhandenen Luft gleich dem Volumen VL der in dem · Läufergehäus-e oder in der Läuferkammer 6 der Niederdruckstufe vorhandenen Luft wird, wobei die beiden Entleerungsvorgänge/ Ent!Uftungsvorgänge aus den zuvor beschriebenen Gründen iur gleichen Zeit stattfinden.

Bei dem mit Fig. 1 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel wird der Zustand des sich einstellenden Gleichgewichtes zwischen dem Volumen VH und dem Volumen VL von einem Meßrohr oder einer Meßleitung 51 erfaßt und gemessen. Von der Meßleitung 51 wird ie jeweils zutreffende Position des Gleichgewichtes zwischen Volumen VH und Volumen VL dadurch gemessen und erfaßt, daß 'von im die Oberfläche des Wassers kontrolliert wird, das von dem Außenumfang der zum Läufer 2 der Hochdruckstufe aus noch innen strömt. An der Stelle der Meßleitung kann aber auch ein auf Druck ansprechender Schalter für das Messen und Erfassen der Gleichgewichtsposition zwischen Volumen VH und Volumen VL verwendet werden, der dann die Veränderungen des statischen Druckes in der zum Läufer 2 der hochdruckstufe gehörenden Gegendruckkammer mißt und überwacht.

Wenn darüber hinaus die erzwungene Druckhöhe sich stark verändert", well sit:h der. Wasserspiegel im unteren Reservoir verändert, können an mehreren

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Radi al pos i ti on in der Gegendruckkaninier mehrere Meß relais verwendet werden, d.h. in der zum Läufer der Hochdruckstufe gehörenden Gegendruckkaninier, wo bei dann eines der Meß-und Überwachungsrelais zum Messen des statischen Druckes in der AbI auf Ieitung 17 verwendet wi rd.

Es ist klar, daß an den zuvor beschriebenen Ausführungsn des Erfindungsgegenstandes z'ustätzl i ehe Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können. Klar sein dürfte auch, daß die Erfindung anders realisiert werden kann als ganz speziell in der Patentbeschreibung beschrieben worden ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH ■ GERD MÜLLER ■ D. GROSSE · F.-PULLMEIER 73

g.us.

3040468 23.10.1980 - 23. -

Tokyo Shibaura Denki Kabushiki Kaisha, 72 Horikawacho
Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa-ken (Japan)

Patentansprüche

Mehrstufige Wasserkraftmaschine mit mehreren Läufern, denen jeweils'ein Läufergehäuse und eine Läuferkrone
zugeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet,
daß von der Wasserseite her ein Entlüftungskanal (29, 32) bis zur Rückseite durch jeden der Läufer gebohrt ist, daß jedem der Läufergehäuse (5, 6) eine Entlüftungskammer (28, 31) am Ausgangsteil des Entlüftungskanals zugeordnet ist, daß jeder Entlüftungskanal an einem
radial äußeren Teil jeder Entlüftungskammer mit einer Wasserabdichtung (22, 25) versehen ist, und daß eine
Vorrichtung (30, 33) für das Entlüften jeder Entlüftungskammer zur Außenseite der Maschine hin vorhanden ist.
2. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die der höchsten Druckstufe zugeordnete. Wasserabdichtung aus Labyrinthdurchlässen besteht, die zwischen der oberen Abdeckung (7) und der Läuferkrone (2a) der höchsten Druckstufe angeordnet sind, daß alle den
übrigen Stufen zugeordneten Wasser-Abdichtungsvorrichtungen aus Labyrithdurchlässen bestehen, welche jeweils zwischen dem Läuferring (18) und der Läuferkrone (3a) der jeweils zutreffenden Stufe angeordnet sind.

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MdLLER ■ D. GROSSE F ⁰OLLMEIER

-
3. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet/ daß die Wasser-Abdichtungsvorrichtungen aus mehreren Rippen bestehen, welche radial an den Rückseiten der Lauferkronen angeordnet sind.
4. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3',
dadurch' gekennzeichnet, daß die Entlüftungskanäle (32 nach Fig. 6) in der Läuferkrone in einem Winkel zur Hauptwelle der Wasserkraftmaschine angeordnet sind,
5. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Entlüftungskammer ein ringförmiges Trennelement (40 nach Fig. 7)gehört, welches zwischen einem Ausgangsteil (33i) der Entlüftungskammer und dem Ausgangsteil (32oJ des Entlüftungskanals derart angeordnet ist, daß eine zylindrische Öffnung (33) zwischen dem Außenumfangsteil des Trennelementes und einem Innenumfangsteil der Außenkante der Entlüftungskammer gebildet wird.
6. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5,

d a du rch gekennzeichnet, daß das Entlüftungssystem ein Entlüftungselement (41 nach Fig. 8) aufweist, .welches in der Entlüftungskammer angeordnet ist, daß dieses Entlüftungselement eine Auslaßöffnung (41a) hat, die nach oben ausgerichtet ist.

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERO M¹JLLER D. GROSSE F. POLLMEIER ~
7. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Meßsystem vorgesehen ist, welches das Volumen der in der vom Läufergehäuse gebildeten Läuferkammer der höchsten Druckstufe befindlichen Luft mißt und erfaßt, daß dieses Meßsystem eine Vorrichtung umfaßt, die wenn das gemessene Volumen gleich einem vorbestimmten Wert ist, ein Ausgangssignal erzeugt, und daß weiterhin eine Vorrichtung vorhanden ist, welche auf das Ausgangssignal des Meßsystem hin das Abführen der Luft aus den von den Läufergehäusen gebildeten Läuferkammern - mit Ausnahme der Läuferkammer der höchsten Druckstufe steuert oder regelt.
8. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem eine Vorrichtung aufweist, die die Position des Wassers erfaßt, welches sich vom Außenumfangsteil einer zum Läufer der höchsten Druckstufe gehörenden Gegendruckkammer aus nach innen bewegt.
9. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem ein Meß- bzw. Überwachungsrelais aufweist.
10. Mehrstuftige Wasserkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem eine Meßvorrichtung beinhaltet, die den Druck der Gegendruckkammer, die zum Läufer der höchsten Druckstufe gehört, mißt.

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11. Mehrstufige Wasserkraftmaschine nach Anspruch 10, dadurch 'gekennzeichnet, daß das Meßsystem einen Membranschalter aufweist, welcher in das Entlüftungssystem eingebaut ist.
12. Mehrstufige 'Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßsystem mit einem Entlüftungsventil versehen ist, welches in das Entlüftungssystem eingebaut ist.
13. Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch das vollständige Schließen der zur höchsten Druckstufe gehörenden Führungsschaufeln, das fortwährende Zuführen von Luft in alle Luftkammern bis der Wasserspiegel soweit abgesunken ist, daß der Läufer der niedrigsten Druckstufe nicht mehr mit Wasser in Berührung kommt, das Starten der Läufer in Luft, das Abführen der Luft aus der Läuferkammer der höchsten Druckstufe und das Zuführen von Wasser in diese Läuferkammer durch eine Rücklaufleitung, das Messen und Erfassen der noch in der Läuferkammer der höchsten Druckstufe verbleibenden Luft, das Abführen der Luft aus den übrigen Läuferkammern, wenn das gemessene und erfaßte Volumen der noch vorhandenen Luft in der Läuferkammer der höchsten Druckstufe einen vorbestimmten Wert erreicht.
14. Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß bei der Messung auch die Position des Wassers erfaßt wird, welches sich von dem Außenumfangsteil der zum Läufer der höchsten Druckstufe gehörenden Gegegendruckkammer aus nach innen bewegt.

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PATENTANWÄLTE F.W. HEMMERICH · GERD MÜLLER - D. GROSSE · F..PQLLME1ER - 27 -
15. Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraft maschine nach Anspruch 13,

dadurch gekennzeichnet, daß die Messung das Messen des Druckes in der Gegendruckkammer des Läufers der höchsten Druckstufe beinhaltet.
16. Verfahren zum Betreiben einer mehrstufigen Wasserkraftmaschine nach mindestens einem der Ansprüche 13 bis 15,

dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Wert gleich dem Luftvolumen der in den Läuferkammern der übrigen Druckstufen verbleibenden Luft ist.

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