DE3512641A1

DE3512641A1 - Mehrstufige, hydraulische maschine

Info

Publication number: DE3512641A1
Application number: DE19853512641
Authority: DE
Inventors: Takuya Kawasaki Kanagawa Kako
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-04-12
Filing date: 1985-04-06
Publication date: 1985-10-24
Also published as: US4588352A; FR2562962B1; FR2562962A1

Description

Mehrstufige, hydraulische Maschine

Die Erfindung bezieht sich auf eine mehrstufige, hydraulische Maschine der im Oberbegriff des Anspruchs genannten Art, insbesondere auf eine mehrstufige,hydraulische Pumpe, Turbine oder Pumpturbine.

Im allgemeinen besteht bei einer hydraulischen Turbine oder Pumpturbine, die direkt mit einem Synchrongenerator gekoppelt ist, die Forderung, daß sie in Luft und nicht in Wasser arbeitet, in welchem Falle das Wasser aus der Maschine durch komprimierte Luft herausgedrückt werden muß. Soll darüberhinaus die Turbine oder Pumpturbine in normaler Weise arbeiten, so muß Luft in der Maschine durch Wasser ersetzt werden. Es ist wesentlich, daß ein glatter Übergang von dem Arbeiten bei Auspressen des Wassers zueiner Arbeitsweise als Pumpturbine erfolgt.

Eine mehrstufige, hydraulische Maschine ist mit einer Hochdruckstufe, einer Niederdruckstufe und evtl. mit einer Zwischendruckstufe ausgestattet, die, durch sogenannte Rückführungskanäle miteinander verbunden sind und bei denen jede Stufe einen Satz von einstellbaren Führungsschaufeln aufweist, die außerhalb der Schaufelräder innerhalb der jeweiligen Stufenkammern angeordnet sind. Um die Entfernung von Luft aus der Maschine zu ermöglichen, sind Luftaustrittskanäle vorgesehen, die sich so dicht wie möglich zu der inneren Oberfläche der Wasser-

SL/H.

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durchlasse innerhalb der Schaufelräder öffnen.

Anhand der Fig. 1 wird ein Beispiel einer herkömmlichen, zweistufigen Pumpturbine beschrieben. Eine Hauptwelle 1 trägt zwei Schaufelräder, ein Schaufelrad für die Hochdruckstufe und ein Schaufelrad 3 für die Niederdruckstufe. Ein spiralförmiges Gehäuse umgibt das Schaufelrad 2. Eine Gruppe von einstellbaren Führungsschaufeln 5 befindet sich in dem Strömungskanal zwischen dem spiralförmigen Gehäuse 4 und dem Schaufelrad 2. Eine obere Abdeckung 7 ist durch einen Raum 6 von einem hinteren Teil des Schaufelrades 2 getrennt. Dichteinrichtungen 9, 10 für die obere Abdeckung und die untere Abdeckung des Schaufelrades befinden sich jeweils zwischen Schaufelrad 2 der Hochdruckstufe und der oberen Abdeckung 7 bzw. einer unteren Abdeckung 8. Eine Zwischendichteinrichtung 11 für die Hauptwelle ist zwischen der Oberfläche der Hauptwelle und der oberen Abdeckung vorgesehen, um innerhalb des Raumes 6 unter Druck stehendes Wasser daran zu hindern, auf die äußere Fläche der Hauptwelle 1 zu gelangen. Ein Kanal 12 in dem Schaufelrad 2 der Hochdruckstufe steht mit dem Wasserströmungsdurchlaß des Schaufelrades 2 und dem Raum 6 in Verbindung. In der oberen Abdeckung 7 befindet sich ein Auslaßrohr 13, das mit seinem einen Ende in den Raum 6 und mit dem anderen außerhalb der Maschine mündet. Ein Steuerventil (nicht dargestellt) befindet sich in dem Auslaßrohr 13, und es ist während der Rückführung von einem Wasserausdrückvorgang zu einer normalen Arbeitsweise offen, so daß Luft innerhalb der Kammer des Schaufelrades der Hochdruckstufe entweichen kann.

Die Kammern der Hoch- und Niederdruckschaufelräder sind durch einen Rückführungskanal 14 miteinander verbunden, in dem sich eine Gruppe von einstellbaren Führungsschaufeln 15 außerhalb des Schaufelrades 3 der

ORIGIMAL INSPECTED

Niederdruckstufe befinden. Das Niederdruckschaufelrad ist mit Läuferdichtungen versehen, die genauso wie die der Hochdruckstufe ausgebildet sind. Ein Verbindungskanal 16 innerhalb der Hauptwelle erstreckt sich von dem Wasserdurchflußkanal des Schaufelrades 3 der Niederdruckstufe zu einem Ort außerhalb dar Maschine. Ein Steuerventil (nicht gezeigt) ist in den Verbindungskanal 16 eingeschaltet und ist bei Rückführung der Arbeitweise vom Wasserausdrücken zu normaler Arbeitsweise offen und bildet so einen Durchlaß für Austrittsluft innerhalb der Schaufelradkammer der Niederdruckstufe. Ein Ableitungsrohr 17 ist unterhalb des Schaufelrades 3 der Niederdruckstufe angeordnet und erstreckt sich zu einem Ablauf. Wird bei dieser herkömmlichen/ mehrstufigen, hydraulischen Maschine komprimierte Luft ausgelassen, um die Rückführung von einer Wasserausdrückarbeitsweise zu normaler Arbeitsweise zu bewirken, so wird der Wasserstand innerhalb der jeweiligen Schaufelradstufen angehoben, und da die Schaufelräder der Stufen mit der Hauptwelle rotieren, wird Wasser, das die Schaufelräder erreicht hat, in Richtung auf die Außenseiten der Kammern gedrückt. Die Auslaßkanäle für die jeweiligen Stufen öffnen sich in die innere ümfangswandung der WasserStromdurchlässe der Schaufelradstufen, so daß die komprimierte Luft nicht in den Kammern verbleibt, sondern durch die Auslaßkanäle zu der Umgebung der Maschine austritt, wie das durch Pfeile in Fig. 1 angedeutet ist.

Da der Wasserdurchflußkanal der Stufe mit dem Schaufelrad 2 und der Raum 6 durch den Kanal 12 verbunden sind, ist während des Betriebes der Raum 6 mit dem gleichen Druck wie das Schaufelrad 2 der Hochdruckstufe beaufschlagt, d.h. ein Druck, der die Hälfte des totalen Spitzendruckes ist. Die Zwischendichteinrichtung 11 für die Hauptwelle hat diesen hohen Druck abzudichten, der im Raum 6 vorhanden

ist, und ist daher unvermeidlich einer extrem hohen Betriebsbelastung unterworfen. Als Ergebnis davon ist die Abnutzung der Packungen, die die Zwischendichteinrichtung 12 für die Hauptwelle bilden, heftig, und im schlechtesten Falle besteht die Gefahr eines Packungsbrandes und einer Beschädigung der Hauptwelle 1, was zu einem sehr häufigem Problem geworden ist. Um den Wasserdruck, mit dem die Zwischendichteinrichtung 11 der Hauptwelle beaufschlagt ist, abzusenken, ist vorgeschlagen worden, auch bei normalem Betrieb das Steuerventil in dem Auslaßrohr 13 offenzuhalten, um so unter Druck stehendes Wasser aus dem Raum 6 durch das Auslaßrohr 13 abzulassen. Es verbleibt jedoch das Problem, daß, um den Wasserdruck auf die Zwischendichteinrichtung 11 abzusenken, eine große Wassermenge abgelassen werden muß, und dies verringert den Wirkungsgrad der Maschine und des Pumpbetriebes. Dieses Problem wird noch kritischer bei Erhöhung de s Ge s amt sp it ζ endrucke s.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mehrstufige, hydraulische Maschine zu schaffen, bei der die Rückführung von Wasserausdrückbetrieb zu normalem Betrieb gleichmäßig und wirksamer als bei herkömmlichen Maschinen erfolgt.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Lehre gelöst.

Zum besseren Verständnis wird die Erfindung nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Fig. 1 ist ein Vertikalschnitt durch eine herkömmliche, zweistufige, hydraulische Maschine,

Fig. 2 ist ein Vertikalschnitt einer zweistufigen Pumpturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Fig. 3 ist ein vergrößerter Vertikalschnitt eines Teils der Fig. 2,

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Fig. 4 ist ein Vertikalschnitt einer zweistufigen Pumpturbine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 5 ist ein vergrößerter Vertikalschnitt

durch einen Teil von Fig. 4,

Fig. 6 ist ein Vertikalschnitt einer zweistufigen Pumpturbine gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Fig. 7 ist ein vergrößerter Vertikalschnitt

eines Teils der Fig. 6, Fig. 8 ist ein Vertikalschnitt durch eine

zweistufige Pumpturbine gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Fig. 9 ist ein vergrößerter Vertikalschnitt

eines Teils von Fig. 8, und

Fig. 10-13 sind vergrößerte Vertikalsehnitte und zeigen Teile eines fünften Aus

führungsbeispieles der vorliegenden Erfindung.

In den Fig. 10 bis 13 sind die Teile, die mit denen in Fig. 1 identisch sind, mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

Wie aus den Fig. 2 und 3 zu ersehen ist, ist eine labyrinthartige Dichteinrichtung 19 in dem Raum 6 vorgesehen. Die Dichteinrichtung befindet sich zwischen einem Flansch 18 auf der Hauptwelle, die ein Rotationselement ist, und der oberen Abdeckung 7, die stationär ist. Die Dichteinrichtung teilt den Raum 6, so daß ein erster hinterer Teilraum 20 und ein zweiter hinterer Teilraum 21 gebildet sind. Ein erster Verbindungskanal 22 befindet sich in dem Hochdruckschaufelrad 2 und mündet jeweils offen in 5 den Durchflußkanal des Schaufelrades und den Teilraum

des Raums 6. Auslaßrohr 23 in der oberen Abdeckung 7 steht mit dem Teilraum 20 des Raums 6 in Verbindung. Auslaßrohr 23 ist mit einem ersten Steuerventil 24a versehen, das wenigstens während der Rückführung von Wasserausdrückbetrieb zu normalem Betrieb öffnet. Es ergibt sich daher ein Auslaßkanal, der sich von dem Schaufelrad 2 der Hochdruckstufe zum Äußeren der Maschine erstreckt. Ein zweiter Verbindungskanal 25 befindet sich in der Hauptwelle 1, und seine Enden führen zu dem Wasserdurchlaßkanal des Schaufelrades 3 der Niederdruckstufe und dem Teilraum 21 des Raums 6. Ein zweiter Auslaßkanal in Form eines Rohres 31 befindet sich in der oberen Abdeckung 7 und führt von dem Teilraum 21 des Raums 6 zur Umgebung der Maschine. Dieses Auslaßrohr 31 ist mit einem Steuerventil 24b versehen, das wenigstens während der Rückführung von Wasserausdrückbetrieb zu normalem Betrieb geöffnet werden kann und so einen Luftdurchlaß von dem Schaufelrad 3 der Niederdruckstufe zu dem Äußeren der Maschine bildet. Die Steuerventile 24a und 24b sind entweder gemeinsam oder unabhängig durch eine Steuereinrichtung 26a gesteuert.

Bei dieser Anordnung ist bei Rückkehr zu Normalbetrieb der Druck des Wassers in dem Teilraum 21 des Raums 6 gleich dem Druck in dem Niederdruckschaufelrad. Zu jeder Zeit kann das Steuerventil 24b geöffnet werden, um Druck in den Teilraum 21 des Raums 6 abzusenken.

Bei der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsform der Erfindung ist das Niederdruckschaufelrad 3 durch einen Durchlaß 32 mit der Umgebung der Maschine in der in Fig. 1 gezeigten Weise verbunden. Das Hochdruckschaufelrad 2 ist durch einen Durchlaß 22 mit dem Teilraum 2o des Raums 6 verbunden und von dort mit der Umgebung der Maschine über das Rohr 23 und das Ventil 24a. Der Teilraum des Raums 6 ist mit einem Rohr 30 versehen, das durch die obere Abdeckung 7 führt und sich rund um die Außenseite

der Maschine zu dem Auslaßrohr 17 erstreckt. Dieses Verbindungsrohr 30 ist mit einem Steuerventil 24c versehen, das wenigstens während normalen Betriebes öffnet. Das Verbindungsrohr 32 kann außerdem mit einem Steuerventil (nicht gezeigt) versehen sein, das zum Auslaß komprimierter Luft innerhalb des Niederdruckstufenschaufelrades dient.

Bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 6 und 7 ist ein Flansch 28 auf der oberen Abdeckung 7 vorgesehen, der sich in den Raum 6 erstreckt, um so einen Raum 27 zu bilden, der sich mit seinem äußeren Ende in den Teilraum 20 erstreckt. Die Zwischendichteinrichtung 19 bildet eine Dichtung zwischen dem Flansch 28 und dem Hauptflansch 18, der einen Teil der Welle bildet. Das Auslaßrohr 23 und die obere Abdeckung führen zu dem Raum 27.

Wird komprimierte Luft in der Kammer des Hochdruckstufenschaufelrades zur Umgebung der Maschine ausgelassen, so strömt sie durch das Rohr 22 in den Teilraum 20, in den Raum 27 und dann durch das Auslaßrohr 26a und das Ventil 24a, wie das durch den Pfeil in Fig. 7 gezeigt ist. Bei dieser Anordnung ergibt sich ein zusätzlicher Vorteil in folgender Weise. Gewöhnlich wird die Zwischendichteinrichtung 11 der Hauptwelle mit Fremdkörpern verunreinigt, wie beispielsweise Schlamm und Sand, und die Packungen der Zwischendichteinrichtung 11 können beträchtlich verschlissen sein. Um dieses zu verhindern, wird frisches, sauberes Wasser in den Wellenabdichtbereich geleitet, so daß ein Teil des Wassers zu der Schaufelradseite gelangt, während das restliche Wasser zu dem Inneren der Maschine gelangt. Wird in diesem Falle das von der Dichteinrichtung zu dem hinteren Teilraum 21 gelangende Wasser zu viel, so können einige Probleme während der Rückführung von Wasserausdrückbetrieb zu Normalbetrieb auftreten. Durchdringt daher das Wasser den Raum 21 und die Zwischendichteinrichtung 19 in den

Teilraum 20, so ist eine Wasserfeststelleinrichtung (nicht gezeigt) in dem Auslaßrohr 23 vorgesehen, die, obwohl der Austritt von Luft noch nicht beendet ist, das erste Steuerventil 24a in fehlerhafter Weise-schließt. Es besteht daher die Gefahr einer Verzögerung des Auslasses von Luft aus der Läuferkammer. Bei der Anordnung gemäß den Fig. 6 und 7 jedoch bewirkt bei Rückführung von Wasserausdrückbetrieb zu Normalbetrieb, selbst wenn Wasser von der Zwischendichteinrichtung 11 der Haupt-

welle^xäen ersten hinteren Teilraum 20 gelangt ist, der Zentrifugaleffekt aufgrund der Drehung der Welle einen Fluß des Wassers gegen die äußere Oberflächenwandung derselben, und das Luftaustrittsrohr befindet sich innerhalb des luftgefüllten Raumes 27. Dies verhindert ein fehlerhaftes Arbeiten der Wasserfeststelleinrichtung.

Bei der in den Fig. 8 und 9 dargestellten Ausführungsform ist der Flansch 28 auf der oberen Abdeckung zur Bildung des Raumes 27 vorgesehen. Im übrigen ist die Konstruktion die gleiche wie bei der Ausführungsform gemaß den Fig. 4 und 5.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 10 bis 13 besteht ein wichtiger Unterschied darin, daß ein Wasserabflußrohr 29 vorgesehen ist, das sich mit seinem einen Ende zu der Innenseite der Zwischendichteinrichtung 19 und mit seinem anderen Ende zur Umgebung der Maschine über Ventil 24d erstreckt. Abgesehen hiervon ist die Konstruktion die gleiche wie bei den Fig. 2 und 3. Die Ventile 24a, 24b und 24d werden durch eine Steuereinrichtung 26c gesteuert. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 11 ist das Entwässerungsrohr 29 mit dem Steuerventil 24d versehen, im übrigen ist die Konstruktion die gleiche wie bei der Ausführungsform gemäß den Fig. 4 und 5. Fig. 12 zeigt eine Konstruktion sehr ähnlich der gemäß den Fig. 6 und 7, wobei das Entwässerungsrohr 29 und das Steuerventil 24d hin-

ORIGINAL IMSPECTED

zugefügt sind. Schließlich ist in Fig. 13 die Konstruktion der Maschine ähnlich der gemäß den Fig. 8 und 9, wobei das Entwässerungsrohr 29 und sein Steuerventil 24c hinzugefügt sind.

Wird bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 10 bis 13 frisches Wasser zu dem Dichtbereich der Zwischendichteinrichtung 11 der Hauptwelle geführt und versucht das durchtretende Wasser, in das Luftauslaßrohr 23 einzudringen, so wird Leckwasser von der Zwischendichteinrichtung 11 der Hauptwelle zu dem Äußeren der Maschine über das Entwässerungsrohr 29 geleitet und somit das Wasser daran gehindert, in die Luftaustrittsleitung 23 einzudringen. Auf diese Weise wird eine Unterbrechung der Auslaßluft in der Läuferkammer aufgrund fehlerhafter Arbeitsweise der Wasserfeststelleinrichtung verhindert.

Wird bei Betrieb der Wasserdruck innerhalb des Teilraumes 21 abnormal angehoben, so kann der die Dichteinrichtung der Hauptwelle beaufschlagende Druck entlastet werden, da die Steuereinrichtung 26d die Öffnung des Steuerventils 24d und damit die Ableitung von Wasser zum Äußeren der Maschine bewirkt.

L. ti ö ι i» ti i t «

Claims

Ansprüche

1. Mehrstufige, hydraulische Maschine, mit

- mehreren Schaufelrädern 2,3, die von einer Höchstdruckstufe zu einer Niedrigstdruckstufe reichen und auf der Hauptwelle 1 befestigt sind,

- einer oberen Abdeckung, die sich durch einen besonderen Raum zu einem rückwärtigen Teil eines Schaufelrades 2 für Höchstdruck erstreckt,

- einer Dichteinrichtung 9, die zwischen der oberen Abdeckung 7 und dem Schaufelrad 2 der Hochdruckstufe angeordnet ist, und

- mit einer Dichteinrichtung 11 für die Hauptwelle zwischen der Außenfläche der Hauptwelle in der Nähe eines Teils, auf dem das Schaufelrad 2 der Hochdruckstufe befestigt ist, und der der Hauptwelle gegenüberliegenden,inneren Oberfläche der oberen Abdeckung,

gekennzeichnet durch:

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eine Zwischendichteinrichtung (19) zwischen der seitlichen Dichteinrichtung (9) der oberen Abdeckung des Schaufelrades und der Dichteinrichtung (11) für die Hauptwelle zur Abdichtung

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zwischen der oberen Abdeckung (7) und dem Schaufelrad (2) der Hochdruckstufe,

- einen ersten Durchlaß (22) in dem Schaufelrad (2)der Hochdruckstufe, der einen Wasserdurchfluß von dem Schaufelrad der Hochdruckstufe zu einem ersten hinteren Teilraum (20) zwischen der Dichteinrichtung (9) der oberen Abdeckung und der Zwischendichteinrichtung (11) bewirkt,

- eine erste Luftaustrittseinrichtung (23), die in der oberen Abdeckung (7) vorgesehen ist und sich zu dem ersten hinteren Teilraum (20) öffnet,

- einen zweiten Durchlaß (25, 30), der eine Wasserdurchflußverbindung zwischen dem Schaufelrad (3) der Niedrigstdruckstufe mit einem zweiten hinteren Teilraum (21) zwischen der Dichteinrichtung der Hauptwelle und der genannten Zwischendichteinrichtung (19) bewirkt, und durch

- eine zweite Luftauslaßeinrichtung (31, 32), die den zweiten Durchlaß (25, 30) öffnet.

2. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Auslaßeinrichtung (32) sich in den Wasserdurchflußkanal des Schaufelrades für die Niedrigstdruckstufe öffnet und in der Hauptwelle . (1) gebildet ist.

3. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Durchlaß (25) in der Hauptwelle (1) gebildet ist und daß die zweite Luftauslaßeinrichtung (31) sich in der oberen Abdeckung (7) befindet und sich in den zweiten hinteren Teilraum (21) erstreckt.

4. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn-

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zeichnet , daß ein Luftaustrittsflansch (28) an der oberen Abdeckung (7) vorgesehen ist, so daß ein Raum (27) gebildet ist, dessen äußerer Teil sich in den ersten hinteren Teilraum (20) öffnet, und daß sich die erste Luftaustrittseinrichtung (23) in den Raum (27) öffnet.

5. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Entwässerungseinrichtung (29) vorgesehen ist, die sich in der oberen Abdeckung (7) befindet und sich in eine Zwischenabdichteinrichtung (17) öffnet.

6. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß erste und zweite Steuerventile (24a, 24b) in den ersten und zweiten Luftaustrittseinrichtungen (23, 31) vorgesehen sind, die sich wenigstens von einer Wasserabsenkarbeitsweise zu einer normalen Arbeitsweise öffnen.

7. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein drittes Steuerventil (24c) in dem zweiten Durchlaß (30) befindet und sich wenigstens während normaler Arbeitsweise öffnet.

8. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch ein viertes Steuerventil (24d), das in der Entwässerungseinrichtung (29) angeordnet ist und sich wenigstens nach einer Entwässerungsarbeitsweise zu einer normalen Arbeitsweise öffnet.

9. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine erste Steuereinrichtung (26a), die die ersten und zweiten Steuerventile (24a, 24b) steuert und so ein öffnen und Schließen entsprechend den Betriebsbedingungen bewirkt.

10. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite Steuereinrichtung (26b), die die ersten und dritten Steuerventile (24a, 24c) steuert und so entsprechend den Betriebsbedingungen öffnet und schließt.

11. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine dritte Steuereinrichtung (26c), die die ersten, zweiten und vierten Steuerventile (24a, 24b, 24d) entsprechend den Arbeitsbedingungen öffnet und schließt.

12. Mehrstufige, hydraulische Maschine nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine vierte Steuereinrichtung (26d), die die ersten, dritten und vierten Steuerventile (24a, 24c, 24d) entsprechend den Arbeitsbedingungen öffnet und schließt.