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Vorrichtung zum Betrieb einer Flüssigkeitsströmungsmaschine
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Betrieb
einer Flüssigkeitsströmungsmaschine, vorzugsweise einer Flüssigkeitsturbine mit
einer Flüssigkeit hohen Druckes führenden Zulaufleitung und einer Flüssigkeit niedrigen
Druckes führenden Ablaufleitung.
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Zum Antrieb von Generatoren in Kraftwerksanlagen werden bevorzugt
Flüssigkeitsströmungsmaschinen oder Dampfturbinen eingesetzt. Besonders wirtschaftlich
arbeiten Flüssigkeitsströmungsmaschinen, da deren Wirkungsgrad höher als der von
Dampfturbinen Sties ist u.a. darauf zurückzuführen, daß bei Flüssigkeitsströmungsmaschinen
das durchströmende Medium praktisch keine Änderung des spezifischen Gewichtes und
der Temperatur erfährt. Weiterhin ist der hohe Wirkungsgrad darauf zurückzuführen,
daß das Drehmoment durch Fliehkraft erzeugt wird. Als Flüssigkeitsströmungsmaschinen
werden üblicherweise Wasserturbinen verwendet, deren Einsatz allerdings in einem
erheblichen Maß eingeschränkt ist, da deren Betrieb eine Speicherung, wie z.B. ein
künstlicher oder natürlicher See, ein aufgestauter Flußlauf o.dgl. voraussetzt.
Dabei muß ein Höhenunterschied zwischen der Turbine und der Speicherung vorhanden
sein. Der Standort von mit Flüssigkeitsströmungs-
maschinen betriebenen
Kraftwerken ist nur möglich, wenn diese Voraussetzungen gegeben sind. Da die die
Flüssigkeitsströmungsmaschine durchströmende Flüssigkeit auf einem natürlichen Wege
wieder abgeführt werden muß und nicht wiederverwendbar ist, muß zum Störungsfreien,
kontinuierlichen Betrieb der Strömungsmaschine eine stetige Flüssigkeitsversorgung
in einer entsprechend hohen Menge sichergestellt sein.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung
zum Betrieb einer Flüssigkeitsströmungsmaschine der eingangs genannten Art zu entwickeln,
durch die ein guter Gesamtwirkungsgrad erzielt und bei der die Ablaufflüssigkeit
unter Druckbeaufschlagung wieder zugeführt wird.
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Die lösung der gestellten Ajfg<ihe ergibt sich bis dem Keinzeictiei
des Anspruches 1.
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Es ist nunmehr der Einsatz von Flüssigkeitsströmungsmaschinen möglich,
auch wenn keine natürliche Speicherung für die zum Betrieb erforderliche Flüssigkeit
vorhanden ist. Dabei bleibt der Wirkungsgrad für die Flüssigkeitsströmungsmaschine
unverändert, da die Führung der Flüssigkeit in einem geschlossenen Kreislauf darauf
keinen Einfluß nimmt. Der Gesamtaufwand zur Erreichung des geschlossenen Kreislaufs
wird dabei auf einen geringstmöglichen Umfang reduziert, wenn nur drei Behälter
vorgesehen werden. Während dann ein mit Flüssigkeit gefüllter Behälter mit dem Druckmittel
beaufschlagt wird, kann die aus der Fliissigkeitsströmungsmaschine atist F(t t[Ide
11 iiss i qkei t in einem zweiten Behälter gesammelt werden, während der dritte
Behälter je nach Betriebszustand leer, teilweise mit Flüssigkeit oder im kontinuierlichen
Betrieb mit Druckmedium gefüllt ist, der während des Entleerens des ersten Behälters
bzw. während des Füllens des zweiten Behälters ausströmt. Während des Betriebes
wird demzufolge im ständigen Wechsel ein Behälter durch Beaufschlagung mit dem Druckmittel
entleert, während ein zweiter mit der aus der Turbine austreteriden Flüs-
sigkeit
gefüllt und aus dem dritten das Druckmittel aussströmt. Die Steuerung des Druckmittels
zu dem jeweiligen Behälter kann durch Einbau von Sperrarmaturen in den Stutzen in
besonders einfacher und betriebsicherer WEise durchgeführt werden.
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Nachdem der erste Behälter durch Beaufschlagung der darin enthaltenen
Flüssigkeit mit dem Druckmittel entleert wurde, wird durch Umsteuerung des Druckmittels
nunmehr der inzwischen gefüllte zweite Behälter entleert. Die Umsteuerung der Sperrarmaturen
ist im Kennzeichen des Anspruches 2 dargelegt. Im Kennzeichen des Anspruches 3 sind
die Vorgänge beschrieben, die während der Entleerung des zweiten Behälters erfolgen.
Die Vorrichtung kann besonders wirtschaftlich betrieben werden, wenn als Druckmittel
Wasserdampf verwendet wird, da einerseits die Erzeugung mit bewährten Anlagen möglich
ist, andererseits ein Teil der aufgewendeten Energie nocheinmal verwertbar ist,
beispielsweise durch Ausnutzung des Ablaßdruckes zum Betrieb weiterer Turbinen.
Es ist dann besonders vorteilhaft, wenn zwischen der Ablaufleitung und der Zulaufleitung
mehr als drei, an der Zu- und Ablaufseite durch Sperrarmaturen gesteuerte Behälter
vorgesehen sind.
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Im Gegensatz zu einer Dampfturbine, bei der der einströmende Wasserdampf
bis zur Kondensation abgekühlt wird, kühlt sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung
der Wasserdampf nur unwesentlich ab, so daß die weitere Verwertung besonders wirtschaftlich
ist.
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Weitere Kennzeichen und Merkmale einer vorteilhaften Ausgestaltung
der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand von weiteren Unteransprüchen und ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsbeipielen.
Es zeigen: Fig. 1 eine Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei
Behältern und
Fig. 2 eine weitere Schemazeichnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit vier Behältern.
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Das in der Fig. 1 aufgezeigte Ausführungsbeispiel besteht im wesentlichen
aus einer nicht näher erläuterten Flüssigkeitsströmungsmaschine 1, drei geschlossenen
Behältern 2,3 und 4, einer Zulaufleitung 5 für die die Flüssigkeitsströmungsmaschine
1 durchströmende Flüssigkeit und einer Ablaufleitung 6 zum Abführen der aus der
Flüssigkeitsströmungsmaschine 1 ausströmenden Flüssigkeit. Die Flüssigkeitsströmungsmaschine
1 kann eine mit Wasser betriebene Wasserturbine sein. Der obere Boden jedes Behälters
2 bis 4 ist mit der Ablaufleitung 6 leitend verbunden, wobei jedem Behälter 2 bis
4 je eine Sperrarmatur 7 bis 9 zugeordnet ist. Der untere Boden jedes Behälters
2 bis 4 ist mit der Zulaufleitung 5 in ebenfalls nicht näher erläuterter Weise leitend
verbunden, wobei wiederum jedem Behälter 2 bis 4 je eine Sperrarmatur 10 bis 12
zugeordnet ist. Die Sperrarmaturen 7 bis 12 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel
symbolisch als Rückschlagklappe dargestellt, es können jedoch auch andere Arten
verwendet werden.
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An der Oberseite jedes Behälters 2 bis 4 ist je ein Stutzen 21,31,41
zum Zuführen eines Druckmittels vorgesehen. Jeder Stutzen 21,31,41 ist mit je einer
Sperrarmatur 22,32,42 versehen. Jeder Behälter 2 bis 4 ist ferner noch mit einem
Auslaufstutzen 23,33,43 ausgerüstet, wobei jeder Auslaufstutzen 23,33,43 wiederum
mit je einer Sperrarmatur 24, 34,44 versehen ist. Die Sperrarmaturen 22,24,32,34,42,44
sind symbolisch als ein Absperrorgan mit Handrad dargestellt. Es ist selbstverständlich,
daß auch andere Antriebe, wie z.B. Kolben-, Magnet- oder Motorantriebe verwendet
werden können. Zum schnellen Umschalten sind Absperrhähne besonders geeignet. Die
Strömungsrichtung des Druckmediums ist durch die Pfeile dargestellt.
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Nachfolgend wird die Arbeitsweise einer in der Fig. 1 dargestellten
An1.lfle l I.itltbl' hl':('ill'
Die Turbine 1, die Ablaufleitung
6, die Zulaufleitung 5 und der Behälter 2 ist annähernd bis zum oberen Rand mit
Flüssigkeit gefüllt.
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Der Flüssigkeitsspiegel für den Behälter 2 ist durch die wellenförmige
Linie angedeutet. Die Behälter 3 und 4 können mit einer geringen Menge Flüssigkeit
gefüllt sein. Der Flüssigkeitsspiegel ist ebenfalls durch die wellenförmige Linie
oberhalb des unteren Randes angedeutet. Diese Flüssigkeitsmenge entspricht derjenigen
Menge, die im Betriebszustand jeweils in einem Behälter 2 bis 4 verbleibt. Der in
der Fig. 1 dargestellte Zustand' ist im ständigen Betrieb kurz vor der Beaufschlagung
des Behälters 2 mit dem Druckmittel erreicht. Der Behälter 4 ist dann mit dem Druckmittel
gefüllt. Sofern die Anlage in Betrieb genommen wird, beispielsweise nach einem Stillstand,
ist der Behälter 4 noch leer. Im Gegensatz zum dargestellten Zustand ist es dann
jedoch auch möglich, daß die im Behälter 2 vorhandene Flüssigkeitsmenge auf die
restlichen Behälter 3,4 in gleicher oder ungleicher Menge verteilt wird.
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Durch den Stutzen 21 wird das Druckmittel mit einem dem Betriebsdruck
der Flüssigkeitsströmungsmaschine 1 entsprechenden Druck in den Behälter 2 geleitet.
Die Sperrarmatur 22 ist geöffnet. Der Druck des Druckmittels wird auf die im Behälter
2 gespeicherte Flüssigkeit übertragen. Außerdem sind die Sperrarmaturen 8,10,34,44
geöffnet. Alle anderen Sperrarmaturen sind geschlossen. Die durch das Druckmittel
mit Druck l)(s.lufschlayteX im Behälter 2 vorhandene flüssigkeit strömt durch die
Zulaufleitung 5 in die Strömungsmaschine 1. Die gleiche Menge Flüssigkeit, die auch
in der Strömungsmaschine 1 einfließt, strömt über die Ablaufleitung 6 drucklos in
den Behälter 3. Zur Verhinderung eines Druckaufbaus durch die im Behälter 3 vorhandene
Luft ist die Sperrarmatur 34 geöffnet. Kurz vor der Entleerung des Behälters 2 werden
die Sperrarmaturen umgesteuert. Die zuvor offenen Sperrarmaturen 8,10,22 und 34
werden qeschlossen, während die Sperrarmaturen 9,117 24,32,44 geöffnet werden. Durch
den Stutzen 31 strömt nunmehr das Druckmittel in den Behälter 3 ein, wodurch die
Flüssigkeit verdrängt und in die Strömungsmaschine 1 geleitet wird. Die aus der
Strömungsmaschine
1 ausströmende Flüssigkeit strömt nunmehr durch
die geöffnete Sperrarmatur 9 in den Behälter 4 ein. Gleichzeitig strömt das im Behälter
2 vorhandene Druckmittel über den Auslaufstutzen 23 aus. Bevor der Behälter 3 vollkommen
von Flüssigkeit entleert bzw. mit dem Druckmittel gefüllt ist, werden die zuvor
geschlossenen Sperrarmaturen 7,12, 34,42 geöffnet, während alle anderen Sperrarmaturen
geschlossen werden, mit Ausnahme der Armatur 24, um zu verhindern, daß die aus der
Strömungsmaschine ausströmende Flüssigkeit einen Druckaufbau im Behälter 2 bewirkt.
Nachdem der Behälter 4 annähernd von Flüssigkeit entleert bzw. mit dem Druckmittel
gefüllt ist, erfolgt die Umsteuerung in der Weise, daß iiijrniehr der zuvor mit
i~liissigkeit gefüllte Behälter 2 entleert wird. Die Sperrarmaturen sind dabei in
der bereits geschriebenen Weise geöffnet bzw. geschlossen. Zum kontinuierlichen
Betrieb der Flüssigkeitsströmungsmaschine 1 wird also im ständigen Wechsel ein Behälter
mit dem Druckmittel zu seiner Entleereung von Flüssigkeit beaufschlagt, während
der zweite gefüllt wird, währenddessen aus dem dritten Behälter das Druckmittel
ausströmt. Falls es sich im praktischen Betrieb als zweckmäßig erweisen sollte,
können weitere Behälter zwischen- bzw. zugeschaltet werden, wobei alle Behälter
dann in Reihe geschaltet sind und im Ringsystem arbeiten.
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Bei dem in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist noch ein
weiterer Behälter 13 vorgesehen, der ebenfalls einen mit einer Sperrarmatur 132
versehenen Stutzen 131 zum Zuführen des Druckmittels und einen mit einer Sperrarmatur
134 versehenen Auslaufstutzen 133 zum Abführen des Druckmittels aufweist. Ferner
ist noch zwischen der Ablaufleitung 6 und dem oberen Bereich des Behälters 13 und
zwischen dem unteren Bereich und der Zulaufleitung 5 je eine Sperrarmatur 14, 15
vorgesehen. Zur Inbetriebnahme ist wiederum der Behälter 2, die Zulaufleitung 5,
die Ablaufleitung 6 und die Strömungsm-aschine 1 mit Flüssigkeit zu füllen. Die
Behälter 3,4 und 13 können wiederum mit einer geringen Menge Flüssigkeit aufgefüllt
werden, wie durch die Wellenlinie oberhalb des unteren Bodens angedeutet. Im Gegensatz
dazu kann die in den Behältern vorhandene Flüssigkeitsmenge jedoch auch in
gleicher
oder ungleicher Mange auf die Gesamtbehälter verteilt werden. Zur Inbetriebnahme
der Flüssigkeitsströmungsmaschine 1 wird die Sperramatur 22 geöffnet, so daß das
Druckmittel in den Behälter 2 einströmen kann. Ferner werden die Sperrarmaturen
8,10,34,44 und 134 geöffnet. Die durch den Druckaufbau in der Zulaufleitung 5 aus
der Strömungsmaschine ausströmende Flüssigkeit fließt dann in den Behälter 3 ein.
Nachdem der Behälter 2 annähernd entleert ist, erfolgt die Umsteuerung des Druckmittels
auf den Behälter 3. Während dieser Phase sind die Sperrarmaturen 9,11,24,32,44 und
134 geöffnet, alle anderen Sperrarmaturen geschlossen. Nach der annähernden Entleerung
des Behälters 3 wird der zuvor mit Flüssigkeit gefüllte Behälter 4 mit dem Druckmittel
beaufschlagt. Dazu sind die Sperrarmaturen 12,14, 24,34,42 tind 134 geöffnet, alle
restlichen Sperrarmaturen geschlossen.
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Nachdem der Behälter 4 annähernd von Flüssigkeit entleert ist, erfolgt
die Umsteuerung des Druckmittelstromes auf den Behälter 13. In dieser Phase sind
die Sperrarmaturen 7,15,24,34,44,132 geöffnet, alle anderen Sperrarmaturen geschlossen.
Nachdem der Behälter 13 wiederum annähernd von Flüssigkeit entleert wurde, erfolgt
die Umsteuerung des Druckmittelstromes auf den zuvor mit Flüssigkeit gefüllten Behälter
2, so daß sich der beschriebene Rhythmus wiederholt.
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Wie ein Vergleich der Fig. 1 mit der Fig. 2 zeigt, kann die erfindungsgemäße
Vorrichtung mit weiteren Behältern ausgerüstet werden.
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Die Sperrarmaturen müssen dann entsprechend geschaltet werden. Aus
Gründen der Vereinfachung ist in der vorangegangenen Beschreibung und in den Zeichnungen
auf die den Druckmittelstrom und die Sperrarmaturen steuernden Einrichtungen verzichtet
worden.
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Zur Beruhigung der Betriebsflüssigkeit und zur Entnahme von diffundiertem
und kondensiertem Druckmittel sowie zur wirtschaftlichen Ausnutzung des Ablaßdruckes
des Druckmitteldampfes kann eine unbegrenzte Anzahl von Behältern mit gleichem Volumen
und gleicher Ausstattung im System in Reihe zwischengeschaltet werden.
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Wie bereits beschrieben, erfolgt die Umsteuerung des Druckmittels
kurz bevor der jeweilige Behälter 2,3,4 oder 13 entleert ist. Damit ein kontinuierlicher
Betrieb gewährleistet ist, ist bei den Ausführungsbeispielen im unteren Bereich
je ein Flüssigkeitsstandwächter 25,35,45 oder 135 vorgesehen. Der Abstand zum unteren
Boden ist im Verhältnis zur Höhe jedes Behälters verhältnismäßig klein. Sobald dieSpiegelhöhe
der Flüssigkeit bis auf den Flüssigkeitsstandwächter abgesunken ist, wird durch
den jeweiligen Flüssigkeitsstandwächter die Umsteuerung des Druckmittels auf den
nächstfolgenden Behälter eingeleitet. Außerdem werden die Sperrarmaturen in der
bereits beschriebenen Weise umgesteuert. Da die Flüssigkeitsstandwächter 25,35,45,135
in einem relativ geringen Abstand oberhalb des unteren Bodens ariqeordnet sind,
verbleibt immer eine im Verhältnis zum gesamten Fülivolumen geringe Restmenge von
Flüssigkeit im jeweiligen Behälter, so daß weder das Druckmittel noch Luft in die
Zulaufleitung 5 gelangen kann.
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Bezugszeichen 1 Flüssigkeitsströmungsmaschine 2 Behälter 3 Behälter
4 Behälter 5 Zulaufleitung 6 Ablaufleitung 7 Sperrarmatur 8 9 II 10 11 12 13 Behälter
14 Sperrarmatur 15 Sperrarmatur 21 Stutzen 22 Sperrarmatur 23 Auslaufstutzen 24
Sperrarmatur 31 Stutzen 32 Sperrarmatur 33 Auslaufstutzen 34 Sperrarmatur 35 Flüssigkeitsstandwächter
41 Stutzen 42 Sperrarmatur 43 Auslaufstutzen 44 Sperrarmatur 45 Flüssigkeitsstandwächter
25 Flüssigkeitsstandwächter 131 Stutzen 132 Sperrarmatur 133 Auslaufstutzen 134
Auslaufstutzen 135 Flüssigkeitsstandwächter
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