DE3233857A1

DE3233857A1 - Mehrstufige hydraulische maschine

Info

Publication number: DE3233857A1
Application number: DE19823233857
Authority: DE
Inventors: Ichiro Yokohama Kanagawa Yamagata
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1981-09-14
Filing date: 1982-09-11
Publication date: 1983-04-14
Also published as: CH656433A5; DE3233857C2; JPS6220387B2; US4502835A; JPS5847171A

Description

Mehrstufige hydraulische Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrstufige hydraulische Maschine, d.h. eine hydraulische Maschine wie z.B. eine Pumpe, eine Turbine oder eine Turbinenpumpe, die mehrere Stufen aufweist, von denen jede einen in einer getrennten Kammer angeordneten Rotor aufweist.

In einer hydraulischen Maschine vom Francis-Typ wird im Betrieb ein Axialdruck auf die Rotoren ausgeübt, welcher durch das axiale Ungleichgewicht des Wasserdruckes auf die verschiedenen mit dem Wasser in Berührung kommenden Flächen der Rotoren hervorgerufen wird. Jeder Rotor besteht im wesentlichen aus einer Rotorkrone oder Laufscheibe, die auf einer drehbaren Welle befestigt ist und sich von dieser weg nach aussen erstreckt, und ein Rotorband oder Deckscheibe, das sich von dem äusseren Rand der Rotorkrone nach innen erstreckt, aber nicht bis zur Welle reicht. Es hat sich gezeigt, dass der grösste Teil des auf einen Rotor wirkenden Axialdruckes durch das axiale Ungleichgewicht des Wasserdruckes, der auf die mit dem Wasser in Berührung kommenden Flächen der hinteren Teile der Rotorkrone und des Rotorbandes wirkt, im Vergleich zu demjenigen Wasserdruck, der auf die mit dem Wasser in Berührung kommenden Flächen der Vorderseite der Rotorkrone und des Rotorbandes wirkt. Die Fläche der Rückseite der Rotorkrone, die vom Wasserdruck beaufschlagt wird, ist grosser als die Fläche der Rückseite des Rotorbandes, die vom Wasserdruck beaufschlagt wird, und zwar um eine Fläche die nahezu gleich der Fläche des Rotorauslassteiles ist, so dass in einer Vertikalmaschine der nach unten auf die Rückseite der Rotorkrone v/irkende Wasserdruck grosser ist als der nach oben gerichtete Wasserdruck der auf die Rück-

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seite des Rotorbandes wirkt. Es ist denn auch allgemein die Erfahrung gemacht worden, dass, im ganzen gesehen, ein axial nach unten gerichteter Druck auf die Rotorkrone wirkt, wenn die Maschine in Betrieb steht. In hydraulischen Machinen von geringem Volumen kann ein solcher axialer Wasserdruck durch ein Drucklager der Welle aufgenommen werden, in hydraulischen Maschinen von mittlerem oder grösserem Volumen jedoch wird der axiale Wasserdruck so gross, dass ein Drucklager zur Aufnahme solcher Axialdrücke in der Herstellung unwirtschaftlich wird.

Es ist bekannt, in einer einstufigen hydraulischen Maschine eine Zwischendichtung auf der Rückseite der Rotorkrone anzuordnen, so dass die hintere Kammer zwischen der Rotorkrone und der kopfseitigen Abdeckung zur Bildung einer inneren hinteren Kammer und einer äusseren hinteren Kammer unterteilt wird. Ein Ausgleichsrohr . oder eine Ausgleichsöffnung sind zur Verbindung der inneren hinteren Kammer mit dem Auslass der Rotorkammer vorgesehen. Diese Anordnung erlaubt es, den Wasserdruck der inneren hinteren Kammer auf das Niveau des Wasserdruckes am Rotorauslass zu reduzieren.

Da der Wasserdruck in der inneren hinteren Kammer auf die Rückseite der Rotorkrone wirkt, wird die Druckbelastung durch den Wasserdruck in der inneren hinteren Kammer, die ■nach unten auf den Rotor wirkt, verringert und es wird daher als Folge des Anbringens der hydraulischen Verbindung der auf den Rotor wirkende Druck verringert.

Im Fall von mehrstufigen hydraulischen Maschinen kann ferner der Rotor der Stufe mit dem höchsten Druck, wie oben beschrieben, in der hinteren Kammer mit einer Zwischendichtung

versehen sein, und kann weiterhin ein Ausgleichsrohr, das mit der inneren hinteren Kammer und dem Durchlass in Richtung des niedrigeren Druckes vex-bundtm ist, vorgesehen sein, so dass der hydraulische Druck in der hinteren Kammer verringert wird. Bei den Rotoren der Stufen mit niedrigerem Druck, das heisst der übrigen Stufen ausser derjenigen mit dem höchsten Druck, sind jedoch die Rückseiten der Rotoren ziemlich weit im Inneren der Machine gelegen und es ist äusserst schwierig, wenn nicht unmöglich, an der Rückseite der Rotorkrone ein inneres Ausgleichsrohr und eine Zwischendichtung anzubringen. Könnte eine solche Dichtung in die Maschine eingebaut werden, so wäre es ppVir schwierig, die Wartung und die Kontrolle der Dichtung auszuführen, ohne einen grossen Teil der Maschine auseinander zu nehmen. Aus praktischen Gründen ist es daher üblich keine Zwischendichtung an der Krone jener Rotoren anzubringen, die nicht den Rotor der Stufe mit dem höchsten Druck bilden.

Die Wasserdruckbelastung,die auf diese Rotoren einwirkt, wird durch ein ausserhalb angeordnetes Drucklager ausgenommen. Die Notwendigkeit ein Drucklager vorzusehen, das geeignet ist die entstehenden Wasserdruckbelastungen aufzunehmen, war ein grosses Hindernis für die Entwicklung von mehrstufigen hydraulischen Maschinen von grösserem Volumen.

Die vorliegende Erfindung hat eine mehrstufige hydraulische Maschine zum Gegenstand, die eine Welle und mehrere auf dieser Welle in axialem Abstand voneinander befestigte Rotoren aufweist, wobei jeder Rotor in einer getrennten Kammer angeordnet ist und die Kammern miteinander hydraulisch in Serie'verbunden sind, wobei die Kammer der Stufe mit dem höchsten Druck so ausgebildet ist, dass sie eine äussere hintere Kammer, eine innere hintere Kammer und eine Seiten-

kammer bildet, und die Kammer der Stufe bzw. jeder der Stufen mit niedrigerem Druck eine hintere Kammer und eine Seitenkammer bildet, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine erste Vorrichtung zur Herstellung einer hydraulischen Verbindung zwischen dem.äusseren Ende der inneren hinteren Kammer der Stufe mit dem höchsten Druck und einem Durchlass, der den Ausgang der Stufe mit dem höchsten Druck mit der nächst anschli'essenden Stufe verbindet, und eine zweite Vorrichtung aufweist, die für jede Stufe ausser derjenigen mit dem höchsten Druck, eine hydraulische Verbindung zwischen dem inneren Ende der Seitenkammer und einem den Eingang dieser Kammer mit dem Ausgang der vorhergehenden Stufe verbindenden Durchlass herstellt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese nachstehend, lediglich im Rahmen eines Beispiels, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 einen Schnitt durch eine zweistufige hydraulische Maschine darstellt, die eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, und

Figur 2 eine graphische Darstellung der Verteilung des Wasserdruckes in der hydraulischen Maschine von Figur 1 ist.

In Figur 1 ist der Aufbau einer zweistufigen hydraulischen Maschine von Francis-Typ gezeigt, die zur Erleichterung des Verständnisses als Beispiel einer mehrstufigen hydraulischen Maschine dient.

Die bczugsziffer 1 bezeichnet die Hauptwelle der zweistufigen Maschine, wobei diese Welle mit einem Rotor 2 für die

Hochdruckstufe und mit einem Rotor 3 für die Niederdruckstufe versehen ist und beide Rotoren in axialem Abstand voneinander fest auf der Welle angebracht sind. Oberhalb und unterhalb des Rotors 2 sind jeweils eine kopfseitige Abdeckung 4 der Hochdruckstufe und ein Bodenring 5 der Hochdruckstufe angeordnet. Bewegliche Leitflügel 6, welche die öffnungen der Wassereinlässe regulieren, sind in Radialrichtung ausserhalb des Rotors angeordnet. Eine Dichtung 7 ist zwischen der Rotorkrone 2a des Rotors 2 und der kopfseitigen Abdeckung 4 angebracht und eine Dichtung unterteilt den Raum zwischen der Krone und der kopfseitigen Abdeckung in eine innere hintere Kammer 8 und eine äussere hintere Kammer 9. Eine Seitenkammer 10 ist zwischen einem Rotorband 2b des Rotors 2 der Hochdruckstufe und dem Bodenring 5 gebildet. Eine kopfseitige Abdeckung 11 und ein Bodenring 12 begrenzen zusammen eine Kammer,die den Rotor 3 der Niederdruckstufe enthält. Eine hintere Kammer liegt zwischen der Rotorkrone 3a und der kopfseitigen Abdeckung, während die Seitenkammer zwischen dem Rotorband 3b und dem Bodenring 12 angeordnet ist.

Ein Gehäuse 15 ist in Radialrichtung ausserhalb der beweglichen Leitflügel 6 der Hochdruckstufe angeordnet und mit einer nicht dargestellten Stauanlage verbunden. Der Ausgang der Hochdruckkammer ist über einen Durchlass 16 mit dem Eingang der Niederdruckstufe in Serie verbunden und der Ausgang der Niederdruckstufe ist an einen Zugkanal 17 angeschlossen.

Jede der hinteren Kammern weist ein inneres Ende auf, das der Welle am nächsten liegt, sowie ein äusseres Ende, welches von der Welle am weitesten entfernt ist, und das äussere Ende der äusseren hinteren Kammer 9 der Hochdruck-

stufe ist über ein Ausgleichsrohr 18 mit dem äusseren Ende der Seitenkammer 10 derselben Stufe verbunden.

Das äussere Ende der inneren hinteren Kammer 8, welches an die Dichtung 7 anschliesst, steht mit dem Rückführrohr in der Nähe des Ausgangs der Hochdruckstufe über ein Ausgleichsrohr 20 in Verbindung, welches mit einem Ausgle.ichsventil 19 verbunden ist.

Das Rückführrohr 16 steht ferner mit dem inneren Ende der Seitenkammer 14 der Niederdruckstufe über ein Verbindungsrohr 22 in Verbindung, welches ein Druckregelventil 21 aufweist.

Figur 2 ist eine graphische Darstellung der Wasserdruckverteilungen in den verschiedenen Teilen der in Figur 1 gezeigten hydraulischen Maschine.

Die Abszisse bezeichnet die radialen Abstände vom Zentrum der Welle, während die Ordinate den Wasserdruck angibt. Der Druck H "bezeichnet den -Wasserdruck- der inneren.-hinteren Kammer 8 und der äusseren hinteren Kammer 9, der Hochdruckstufe, der Druck H_.:bezeichnet den Wasserdruck in der Seitenkammer, der Druck H_r bezeichnet den Wasserdruck in den hinteren Kammer 13 der Niederdruckstufe und der Druck H bezeichnet den Wasserdruck der Seitenkammer IA der Niederdruckstufe. Die Pfeilspitzen in der graphischen Darstellung bezeichnen die Richtung, in der der Wasserdruck wirkt. Der Wasserdruck in der hinteren Kammer H am äusseren Ender R₀ der äusseren hinteren Kammer 9 beträgt H₁ und ist geringfügig niedriger als der Druck am äusseren Ende des Rotors 2. Das Wasser in der äusseren hinteren Kammer 9 befindet sich in einer erzwungenen Wirbelbewegung, welche

. i.

durch die Drehung des Rotors hervorgerufen wird, so dass der Wasserdruck gegen das innere Ende der äusseren Kammer allmählich abnimmt und am inneren Ende der äusseren hinteren Druckkammer 9, d.h. in der radialen Lage R₀ der Dichtung 7, der Druck H beträgt. Am äusseren Ende der inneren hinteren Kammer 8, das an die Zwischendichtung 7 anschliesst, steht das Rohr 20 in Verbindung mit dem Rückführrohr 16 in der Nähe des Ausgangs des Rotors 3 derHochdruckstufe, so dass der Wasserdruck im äussersten Punkt R der inneren hinteren Kammer

auf den Wert H herabgesetzt wird. Dieser Druck H ist gleich hoch oder leicht höher im Vergleich zum Wasserdruck H„₅

am Rotorausgang der Hochdruckstufe. In der radialen Lage R , die das innerste Ende der inneren hinteren Druckkammer darstellt, wird der Wasserdruck leicht niedriger als der Wasserdruck H_, und zwar infolge der zwangsweisen Wirbelbewegung innerhalb dieser inneren hinteren Kammer.

Wenn man den Wasserdruck H der Seitenkammer 10 betrachtet,

so wird, da das äussere Ende der Kammer 10 mit dem äusseren Ende der hinteren Kammer 9 in Verbindung steht, der Wasserdruck in der radialen Lage R , welche dem äussersten Rand der Seitenkammer 10 entspricht, gleich H ·. , d.h. gleich gross wie der Wasserdruck am äusseren Ende der äusseren hinteren Kammer 9. Der Wasserdruck in der Seitenkammer 10, in der das Wasser ebenfalls eine zwangsweise Wirbelbewegung ausführt und zwar mit einer Winkelgeschwindigkeit, die etwa gleich gross ist wie diejenige der Wasserbewegung in der äusseren hinteren Kammer 9, ist demnach in der radialen Lage R , die dem inneren Ende der Seitenkammer 10 entspricht, ebenfalls gleich H und ist damit nahezu gleich gross wie der Wasserdruck am inneren Ende der äusseren hinteren Kammer 9.

Demnach sind die Kasserdruckverteilungen ir. der ausseren hinteren Kammer 9 und in der Seitenkammer 10 nahezu gleich und der Wasserdruck in der inneren hinteren Kammer 8 ist · ebenfalls nahezu gleich dem Wasserdruck am Ausgang der Hochdruckstufe 2, so dass die jeweiligen Wasserdrücke einander praktisch aufheben und der Rotor 2 der Hochdruckstufe kein Ungleichgewicht in der Wasserdruckbelas'tung hervorruft.

Was den Wasserdruck H der hinteren Kammer 13 der Niederdruckstufe 3 in der radialen Lage R betrifft, so ist dieser nahezu gleich dem Wasserdruck H am äusseren Ende des Rotors der Niededruckstufe. Als Folge einer zwangsläufigen Wirbelbewegung des Wassers nimmt jedoch der Wasserdruck allmählich gegen das innere Ende hin ab, so dass der Wasserdruck beim Radius R_ auf den Wert Η_Ί„ absinkt und am innersten Ende, welches dem Radius R, entspricht, der Wasserdruck weiter auf den V7ert H _ abgesunken ist. Andererseits ändert sich der Wasserdruck H in der Seitenkammer 14, da das innere Ende der Seitenkammer 14 über das Rohr 22 mit dem Rückführrohr in Verbindung steht, so dass der Wasserdruck in der radialen Lage R gleich H₃₃ wird und nahezu gleich gross ist wie der Wasserdruck in dem Rückführrohr 16. Da der Wasserdruck im Rückführrohr 16 nahezu gleich dem Wasserdruck am äusseren Ende des Rotors 3 der Niederdruckstufe ist, ist der Wasserdruck H-_ nahezu gleich gross wie der Wasserdruck H₁₁ am äussersten Ende der hinteren Kammer 13. Der Wasserfluss innerhalb der Seitenkammer 14 entspricht einer zwangsweis.en Wirbelbewegung so dass der Wasserdruck gegen das äussere Ende der Kammer hin allmählich ansteigt, wodurch der Wasserdruck am äussersten Ende R den Wert H₃₁ besitzt, welcher grosser ist als der Wasserdruck H .

Betrachtet man die Wasserdruckver.teilung der inneren Druckkammer der Niederdruckstufe im Fall der Weglassung des oben

beschriebenen Verbindungsrohres 22, so wird der Wasserdruck am äusseren Ende der Seitenkammer 14 gleich H₁₁, d.h. gleich gross wie der Wasserdruck am äusseren Ende der hinteren Kammer 13, und am innersten Ende wird der Druck gleich H . Dies ist in Figur 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In diesem Fall ist erkennbar, dass am äusseren Rand, in der radialen Lage R , die hintere Kammer und die Seitenkammer 14 die gleichen Wasserdrücke aufweisen, so dass sich die Wasserdrücke in den entsprechenden Kammern gegeneinander aufheben, wobei jedoch infolge des Wasserdruckes der hinteren Druckkammer, die innerhalb der radialen Lage R liegt, eine nach unten gerichtete Druckbelastung entsteht.

Gemäss der vorliegenden Erfindung ist in der äusseren radialen Lage R der Wasserdruck der Seitenkammer höher und es wird daher möglich, in der Seitenkammer 14 einen Wasserdruck in einer solchen Richtung zu erzeugen, dass der nach unten gerichtete Wasserdruck, der in der innerhalb der radialen Lage R gelegenen hinteren Kammer 13 entsteht, komp nsiert wird, Demnach wird es durch die Erfindung möglich, Wasserdruckbelastungen auf den Rotor der Niederdruckstufe zu beseitigen und Wasserdruckbelastungen in der^;hydraulischen Maschine, welche als Summe der jeweiligen Druckbelastungen auf- die Rotoren der einzelnen Stufen entstehen können, auf ein Minimum zu reduzieren.

Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung auch in einer mehrstufigen hydraulischen Maschine Anwendung finden, in der keine beweglichen Leitflügel am äusseren Ende des Rotors 2 der Hochdruckstufe vorgesehen sind.

Als Fbi?e der Vorteile, die durch die Anwendung der vorliegenden Erfindung erzielt werden, können die Wasserdruckbelastungen auf die Rotoren der entsprechenden Stufen von mehrstufigen hydraulischen Maschinen beseitigt werden oder zumindest auf einen Minimalwert reduziert werden, so dass durch die Rotoren dieser Stufen keine grossen axialen Druckbelastungen ausgeübt werden. Somit kann eine rationelle Ausbildung der drehbaren Teile der Maschine erfolgen und gleichzeitig die axiale Druckbelastung der mehrstufigen hydraulischen Maschine, welche sich als Summe der auf die Rotoren der' entsprechenden Stufen wirkenden hydraulischen Belastungen darstellt, ebenfalls auf ein Minimum reduziert werden, so dass keine Drucklager von unwirtschaftlich grossem Volumen mehr benötigt werden. Es wird somit möglich, mehrstufige hydraulische Maschinen von grossen Abmessungen und entsprechendem Volumen auf äusserst rationelle Weise herzustellen.

Leerseite

Claims

TOKYO SKIBAURA DENKI KABUSHIKI KAISHA,

Horikawa-cho, Saiwai-Ku, Kawasaki-shi. K^nagawa-Ken, Japan

MEHRSTUFIGE HYDRAULISCHE MASCHINE

Patentansprüche:

ΓΙJ Mehrstufige hydraulische Maschine, die eine Welle und mehrere auf dieser Welle in axialem Abstand voneinander befestigte Rotoren aufweist, wobei jeder Rotor in einer getrennten Kammer angeordnet ist und die Kammern miteinander hydraulisch in Serie verbunden sind und wobei die Kammer der Stufe mit dem höchsten Druck so ausgebildet ist, dass sie eine äussere hintere Kammer, eine innere hintere Kammer und eine Seitenkammer bildet, und die Kammer der Stufe bzw. jeder der Stufen mit niedrigerem Druck eine hintere Kammer und eine Seitenkammer bildet, dadurch gekennzeich

net, dass sie eine erste Vorrichtung (20) zur Herstellung einer hydraulischen Verbindung zwischen dem äusseren Ende der inneren hinteren Kammer (8) der Stufe mit dem höchsten Druck und einen Durchlass (16) , der den Ausgang der Stufe mit dem höchsten Druck mit der nächst anschliessenden Stufe verbindet und eine' zweite Vorrichtung (22) aufweist, die für jede Stufe ausser derjenigen mit dem höchsten Druck eine hydraulische Verbindung zwischen dem inneren Ende der Seitenkammer (14) und einem den Eingang dieser Kammer mit dem Ausgang der vorhergehenden Stufe verbindenden Durchlass herstellt.
2. Mehrstufige hydraulische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung (20) ein Ausgleichsventil (19) aufweist.
3. Mehrstufige hydraulische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung (22) ein Druckregelventil (21) aufweist.