DE3233857C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Strömungsmaschine gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter Strömungsmaschine werden sowohl Strömungs-Kraftmaschi­ nen als auch Strömungs-Arbeitsmaschinen verstanden. Zu den Strömungs-Kraftmaschinen zählen Turbinen, insbesondere Francis-Turbinen, während zu den Strömungs-Arbeitsmaschinen die verschiedensten Pumpen, Gebläse o. ä. zählen.

Eine Strömungsmaschine der eingangs genannten Art, nämlich eine zweistufige Francis-Turbine ist aus dem JA-PS Abstract 56-52 574 (M-79 July 21, 1981, Vol. 5/No. 112) bekannt, bei der die Welle senkrecht steht und die Hochdruckstufe über der Niederdruckstufe angeordnet ist. Das Wasser wird durch ein Spiralgehäuse über feststehende, das Gehäuse versteifende Stützschaufeln und drehbare Leitschaufeln dem auf der Welle angebrachten Laufrad radial zugeführt. Der Wasseraustritt erfolgt axial aus dem Laufrad und wird über einen Umlenkkanal erneut radial dem Laufrad der Nieder­ druckstufe zugeführt. Aus der Niederdruckstufe strömt das Wasser axial in ein gekrümmtes Saugrohr aus. Das Lauf­ rad der HD-Stufe läuft in Kammern, die über dem Laufrad als hintere Kammer und axial unter dem Laufrad als Seiten­ kammer bezeichnet werden. Ebenso läuft das Laufrad der ND-Stufe in einer hinteren Kammer sowie eine Seitenkammer. Bei allen Stufen ist die hintere Kammer durch eine Dich­ tung, und zwar üblicherweise eine Labyrinth-Dichtung in eine innere und eine äußere Kammer unterteilt, wobei "in­ nen" und "außen" in radialer Richtung in bezug auf die Welle zu verstehen sind. Da die Oberseite jedes Laufrades aufgrund seiner Bauart zwangsläufig eine größere Oberfläche besitzt, als seine Unterseite, wirkt auf das Laufrad und damit auf die das Laufrad tragende Welle ein Axialdruck, der durch starke Axiallager aufgenommen werden muß. Zum Ausgleich dieses Axialdrucks ist daher bei der bekannten Francis-Turbine die radiale innere Kammer der HD-Stufe über eine Ausgleichsleitung mit der Seitenkammer der ND-Stu­ fe verbunden, während die radial äußere Kammer der HD-Stufe über eine weitere Ausgleichsleitung an die Seitenkammer der gleichen HD-Stufe angeschlossen ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Konstruktion einer Strö­ mungsmaschine der eingangs genannten Art zu vereinfachen, ohne daß sich der auf das Drucklager der Welle auswirkende Axialdruck des Wassers erhöht.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1. Dadurch wird erreicht, daß die Druckbelastung der Laufräder einer mehrstufigen Strö­ mungsmaschine weitgehend reduziert wird, so daß die Lauf­ räder keine großen axialen Druckbelastungen aufnehmen müssen. Auf diese Weise können die Abmessungen des Wellen­ drucklagers reduziert werden, was die Herstellung der Strömungsmaschine wesentlich wirtschaftlicher macht. Damit ist es möglich, mehrstufige Strömungsmaschinen von großen Abmessungen und entsprechendem Volumen auf rationelle Weise herzustellen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine zweistufige Francis-Tur­ bine; und

Fig. 2 ein Druckverteilungsdiagramm für den Wasserdruck in der Turbine nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine zweistufige Francis-Turbine mit senkrech­ ter Welle 1 und radialem Wassereintritt durch ein Spiral­ gehäuse 15. Die Welle 1 trägt ein Laufrad 2 für die Hochdruckstufe und ein Laufrad 3 für die Niederdruck­ stufe, wobei beide Laufräder in axialem Abstand voneinander fest auf der Welle montiert sind. Oberhalb und unterhalb des Laufrads 2 sind jeweils eine kopfseitige Abdeckung 4 der Hochdruckstufe und ein Bodenring 5 der Hochdruckstufe angeordnet. Drehbare Leitschaufeln 6 sind radial außerhalb des Laufrads 2 angeordnet. Eine Dich­ tung 7 ist zwischen der Laufradkrone 2 a des Laufrads 2 und der kopfseitigen Abdeckung 4 angebracht und eine Dich­ tung unterteilt den Raum zwischen der Krone und der kopf­ seitigen Abdeckung in eine innere hintere Kammer 8 und eine äußere hintere Kammer 9. Eine Seitenkammer 10 ist zwischen einer Wand 2 b des Laufrads 2 der Hochdruckstufe und dem Bodenring 5 gebildet. Eine kopfseitige Abdeckung 11 und ein Bodenring 12 begrenzen zusammen eine Kammer, die das Laufrad 3 der Niederdruckstufe enthält. Eine hinte­ re Kammer 13 liegt zwischen der Laufradkrone 3 a und der kopfseitigen Abdeckung, während die Seitenkammer zwischen der Laufradwand 3 b und dem Bodenring 12 angeordnet ist.

Ein Gehäuse 15 ist in Radialrichtung außerhalb der Leit­ schaufeln 6 der Hochdruckstufe angeordnet und mit einer nicht dargestellten Stauanlage verbunden. Der Ausgang der Hochdruckkammer ist über einen Umlenkkanal 16 mit dem Eingang der Niederdruckstufe in Serie verbunden und der Ausgang der Niederdruckstufe ist an ein Saugrohr 17 angeschlossen.

Jede der hinteren Kammern 8 weist ein radial inneres Ende auf, das der Welle am nächsten liegt, sowie ein radial äußeres Ende, welches von der Welle am weitesten entfernt ist, und das radial äußere Ende der äußeren hinteren Kammer 9 der Hochdruckstufe ist über eine Ausgleichsleitung 18 mit dem radial 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 Umlenkkanal 16 in der Nähe des Ausgangs der Hochdruckstufe über eine Leitung 20 in Verbindung, welche ein Ausgleichsventil 19 enthält.

Der Umlenkkanal 16 steht ferner mit dem radial inneren Ende der Seitenkammer 14 der Niederdruckstufe über eine Leitung 22 in Verbindung, die ein Druckregelventil 21 aufweist.

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung der Wasserdruck­ verteilungen in den verschiedenen Teilen der in Fig. 1 gezeigten Strömungsmaschine.

Die Abszisse bezeichnet die radialen Abstände vom Zentrum der Welle während die Ordinate den Wasserdruck angibt. Der Druck H _A bezeichnet den Wasserdruck der inneren hinteren Kammer 8 und der äußeren hinteren Kammer 9, der Hochdruck­ stufe; der Druck H _B bezeichnet den Wasserdruck in der Seitenkammer 10; der Druck H _C bezeichnet den Wasserdruck in der hinteren Kammer 13 der Niederdruckstufe und der Druck H _D bezeichnet den Wasserdruck der Seitenkammer 14 der Niederdruckstufe. Die Pfeilspitzen in der graphischen Darstellung bezeichnen die Richtung, in der der Wasserdruck wirkt. Der Wasserdruck in der hinteren Kammer H _A am äußeren Ende R _O der äußeren hinteren Kammer 9 beträgt H _{O 1} und ist geringfügig niedriger als der Druck am äußeren Ende des Laufrads 2. Das Wasser in der äußeren hinteren Kammer 9 befindet sich in einer erzwungenen Wirbelbewegung, welche durch die Drehung des Laufrads hervorgerufen wird, so daß der Wasserdruck gegen das innere Ende der äußeren Kammer allmählich abnimmt und am inneren Ende der äußeren hinteren Kammer 9, d. h. in der radialen Lage R _S der Dich­ tung 7, der Druck H _O beträgt. Am äußeren Ende der inneren hinteren Kammer 8, das an die Dichtung 7 anschließt, steht die Leitung 20 in Verbindung mit dem Umlenkkanal 16 in der Nähe des Ausgangs des Laufrads 3 der Hochdruckstufe, so daß der Wasserdruck im äußersten Punkt R _S der inneren hinteren Kammer 8 auf den Wert H _{O 3} herabgesetzt wird. Dieser Druck H _{O 3} ist gleich hoch oder leicht höher als der Wasserdruck H _{O 5} am Laufradausgang der Hochdruckstufe. In der radialen Lage R _X , die das innerste Ende der inneren hinteren Druckkammer darstellt, wird der Wasserdruck leicht niedriger als der Wasserdruck H _{O 3} und zwar infolge der zwangsweisen Wirbelbewegung innerhalb dieser inneren hin­ teren Kammer.

Wenn man den Wasserdruck H _B der Seitenkammer 10 betrachtet, so wird, da das äußere Ende der Seitenkammer 10 mit dem äußeren Ende der äußeren hinteren Kammer 9 in Verbindung steht, der Wasserdruck in der radialen Lage R _O , welche dem äußersten Rand der Seitenkammer 10 entspricht, gleich H _{O 1}, 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 zwangswei­ se Wirbelbewegung ausführt und zwar mit einer Winkelge­ schwindigkeit, die etwa gleich groß ist wie diejenige der Wasserbewegung in der äußeren hinteren Kammer 9, ist demnach in der radialen Lage R _S , die dem inneren Ende der Seitenkammer 10 entspricht, ebenfalls gleich H _{O 2} und ist damit nahezu gleich groß wie der Wasserdruck am inneren Ende der äußeren hinteren Kammer 9.

Demnach sind die Wasserdruckverteilungen in der äußeren 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, so daß die jeweiligen Wasserdrücke einander praktisch aufheben und das Laufrad 2 der Hochdruckstufe kein Ungleichgewicht in der Wasserdruckbelastung hervorruft.

Was den Wasserdruck H _C der hinteren Kammer 13 der Nieder­ druckstufe in der radialen Lage R _O betrifft, so ist dieser nahezu gleich dem Wasserdruck H ₁₁ am äußeren Ende des Laufrads 3 der Niederdruckstufe. Als Folge einer zwangs­ läufigen Wirbelbewegung des Wasser nimmt jedoch der Wasser­ druck allmählich gegen das innere Ende hin ab, so daß der Wasserdruck beim Radius R _S auf den Wert H ₁₂ absinkt und am innersten Ende, welches dem Radius R _X entspricht, der Wasserdruck weiter auf den Wert H ₁₃ abgesunken ist. Andererseits ändert sich der Wasserdruck H _D in der Seiten­ kammer 14, da das innere Ende der Seitenkammer 14 über die Leitung 22 mit dem Umlenkkanal 16 in Verbindung steht, so daß der Wasserdruck in der radialen Lage R _S gleich H ₂₂ wird und nahezu gleich groß ist wie der Wasserdruck in dem Umlenkkanal 16. Da der Wasserdruck im Umlenkkanal 16 nahezu gleich dem Wasserdruck am äußeren Ende des Lauf­ rads 3 der Niederdruckstufe ist, ist der Wasserdruck H ₂₂ nahezu gleich groß wie der Wasserdruck H ₁₁ am äußersten Ende der hinteren Kammer 13. Der Wasserfluß innerhalb der Seitenkammer 14 entspricht einer zwangsweisen Wirbel­ bewegung, so daß der Wasserdruck gegen das äußere Ende der Kammer hin allmählich ansteigt, wodurch der Wasserdruck am äußersten Ende R _O den Wert H ₂₁ besitzt, welcher größer ist als der Wasserdruck H ₂₂.

Betrachtet man die Wasserdruckverteilung der inneren Druck­ kammer der Niederdruckstufe im Fall der Weglassung der oben beschriebenen Leitung 22, so wird der Wasserdruck am äußeren Ende der Seitenkammer 14 gleich H ₁₁, d. h. gleich groß wie der Wasserdruck am äußeren Ende der hinteren Kammer 13, und am innersten Ende wird der Druck gleich H ₁₂. Dies ist in Fig. 2 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. In diesem Fall ist erkennbar, daß am äußeren Rand, in der radialen Lage R _S , die hintere Kammer 13 und die Seitenkammer 14 die gleichen Wasserdrücke aufweisen, so daß sich die Wasserdrücke in den entsprechenden Kammern gegeneinander aufheben, wobei jedoch infolge des Wasser­ druckes der hinteren Druckkammer, die innerhalb der ra­ dialen Lage R _S liegt, eine nach unten gerichtete Druckbe­ lastung entsteht.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der äußeren ra­ dialen Lage R _S 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 _S gelegenen hinteren Kammer 13 entsteht, kompensiert wird. Demnach wird es durch die Erfindung möglich, Wasserdruckbelastungen auf das Laufrad der Nieder­ druckstufe 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 Strömungsmaschine Anwendung finden, in der keine verstellbaren Leitschaufeln am radialen äuße­ ren Ende des Laufrades 2 der Hochdruckstufe vorgesehen sind.

Claims (2)

1. Mehrstufige Strömungsmaschine die eine Welle (1) und mehrere auf dieser Welle (1) in axialem Abstand vonein­ ander befestigte Laufräder (2; 3) aufweist, wobei jedes Laufrad (2; 3) in einer eigenen Kammer angeordnet ist und die Kammern miteinander durch einen Umlenkkanal (16) verbunden sind, wobei jede Kammer einer Stufe eine hintere Kammer (8, 9; 11) und eine Seitenkammer (10; 14) aufweist und die hintere Kammer (8, 9) der Stufe mit dem höchsten Druck in eine radial innere hintere Kammer (8) und in eine radial äußere hintere Kammer (9) unterteilt ist, wobei ferner die äußere hintere Kammer (9) der Stufe mit dem höchsten Druck über eine Ausgleichsleitung (18) an die Seitenkammer (10) dieser gleichen Stufe und die innere hintere Kammer (8) der Stufe mit dem höchsten Druck über eine Leitung (20) an einen Bereich mit niedrigerem Druck angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Kammer (11) jeder Stufe mit Ausnahme der Stufe mit dem höchsten Druck ungeteilt ist; daß die Leitung (20) von der inneren hinteren Kammer (8) an den Umlenk­ kanal (16) angeschlossen ist, der die Stufe mit dem höchsten Druck mit der dazu benachbarten Stufe verbin­ det; daß die Leitung (20) ein Ausgleichsventil (19) enthält; und daß in jeder Stufe mit Ausnahme der Stufe mit dem höchsten Druck eine weitere Leitung (22) das radiale innere Ende der Seitenkammer (14) dieser Stufe mit dem Umlenkkanal (16) verbindet, der von dieser Stufe zu der dazu benachbarten Stufe mit höherem Druck führt.

2. Mehrstufige Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Leitung (22) ein Druck­ regelventil (21) enthält.