DE3824760C2 - Gleichdruckströmungsmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleichdruckströmungsmaschine für große Druckgefälle mit tangential dem Laufrad zugeführtem Wasserstrahl, der in einem von drehmomenterzeugenden Elementen absperrbaren Leitkanal der Maschine geführt wird.

Für große Druckgefälle durch hohe Nutzhöhenbereiche zwischen 400 und 1800 Metern werden bekanntlich zur Ausnutzung der Wasser­ energie Freistrahlturbinen, beispielsweise Peltonturbinen, einge­ setzt. Es sind tangential, durch einen kreisrunden Wasserstrahl teilbeaufschlagte Gleichdruckturbinen mit feinregelbaren Nadel­ düsen und vielen am Laufradumfang angeordneten Becherschaufeln. Die becherartigen Schaufeln sind halbkugelförmig und mit einer Schneide in der Mitte angebracht. Der durch eine oder mehrere Düsen mit großer Geschwindigkeit ausströmende Wasserstrahl trifft tangential auf die Schaufel, teilt sich hier in zwei Halbstrah­ len, die in den Schaufelmulden eine Richtungsumkehr erfahren und dabei ihre kinetische Energie an das Laufrad abgeben. Der Wirkungsgrad der Peltonturbinen ist mit 90% sehr hoch. An die Turbinenschaufeln werden große Anforderungen durch den mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Wasserstrahl gestellt. Der Bauauf­ wand ist daher recht hoch.

Die FR 425 531 zeigt ein Wasserrad mit radial federnd gelagerten Schaufeln. Beim Vorbeilaufen an einem Mündungselement, aus wel­ chem Wasser in einen Leitkanal tritt, werden die Schaufeln gegen die Kraft von Federn zunächst radial einwärts gedrückt, um an­ schließend beim Vorbeistreichen an dem Mündungselement radial nach außen in den Leitkanal zu fahren. Die Einwärtsbewegung der Schaufeln wird durch das Anstreifen an dem Mündungselement be­ wirkt. Durch die damit verbundene mechanische Beanspruchung ist die Lebensdauer der sich kontaktierenden Teile begrenzt. Die für die radiale Auswärtsbewegung sorgenden Druckfedern unterliegen einer allmählichen Materialermüdung. Es ist zu berücksichtigen, daß eine Maschine zur Krafterzeugung, wie beispielsweise ein Wasserrad, zur Aufrechterhaltung eines Dauerbetriebes eine lange Lebensdauer haben sollte.

Nach der DE-PS 96 712 ist eine Wasserkraftmaschine mit einem Flügelrad versehen, das durch die Wirkung einer strömenden Was­ sermenge in Bewegung gesetzt werden kann. Ein die Flügel ganz oder teilweise verdeckender Zylinder kann gegen die Achse des Flügelrades verstellt werden, um die Leistung zu regeln bzw. die Maschine stillzusetzen. Eine Ausnutzung des statischen Drucks ist nicht möglich. Die Wasserkraftmaschine ist für die Energiegewinnung aus Wasser mit großen Fallhöhen und entsprechend hohen Drücken nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strömungsmaschine der einleitend genannten Gattung für große Fallhöhen bzw. Drücke und mit großem Wirkungsgrad zu schaffen, deren Herstellung im Vergleich zu den bisher bekannten Ausführungen mit Umlenkschau­ feln wesentlich vereinfacht ist.

Die Lösung dieser Aufgabe zeich­ net sich durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 genann­ ten Merkmale aus.

Weitere, die Erfindung vorteilhaft gestaltende Merkmale sind in den Unteransprüchen angegeben.

Eine erfindungsgemäß gestaltete Kraftmaschine zeichnet sich durch einen geringen Bauaufwand aus. Alle Einzelteile sind infolge ihrer rotationssymmetrischen Ausbildung einfach zu fertigen. Der erreichbare Wirkungsgrad für Turbinen beträgt rechnerisch 96% und geringfügig darüber. Ohne übermäßigen Bauaufwand lassen sich vor allem gute Wirkungsgrade auch für die Teillastbereiche bei Anfall geringerer Wassermengen als Energieträger erzielen, da mehrere Leitkanäle feinstufig nebeneinander angeordnet sein können.

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung rein schematisch dargestellt und nachstehend erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht eines Laufrades für eine Wasserturbine,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Maschine gemäß Fig. 1.

Fig. 3 die Seitenansicht eines Laufrades einer abweichenden Kon­ struktion,

Fig. 4 die Seitenansicht eines Laufrades für eine Pumpe und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch die Maschine gem. Fig. 3.

Das in der Zeichnung dargestellte Turbinenlaufrad 30 ist glocken- oder schalenförmig ausgebildet und enthält zwei nut­ förmig ausgebildete Wasserleitkanäle 31 und 32. Die Leitkanäle sind durch ringförmige Abdeckungen 34 und 35 teilweise ver­ schlossen. Die Nutabdeckungen bilden in Verbindung mit den Nuten Arbeitsräume 38 für das über Zuführleitungen 36 und 37 ein­ geleitete, unter hohem Druck stehende Wasser.

Durch Bohrungen 39 des Laufrades hindurch können sich Kolben 40 bis in den Arbeitsraum 38 hinein erstrecken. Sie sind an einem ringförmigen Kolbenträger 41 gelenkig befestigt. Die Verbindung wird durch Kolbenstangen 42 hergestellt. Der Kolbenträger ist auf einer Lagerscheibe 43 gelagert und die Lagerscheibe selbst ist an der feststehenden Turbinenachse 44 verdrehsicher angeord­ net (Fig. 2). Die Befestigung der Lagerscheibe 43 auf der Turbinen­ achse 44 ist exzentrisch, so daß der mit dem Turbinenlaufrad mit gleicher Winkelgeschwindigkeit rotierende Kolbenträger zwar in­ nerhalb des Turbinenlaufrades, jedoch exzentrisch zu diesem ge­ lagert ist. Als Folge hierdurch können die Kolben 40 innerhalb der Laufradbohrungen 39 während der Rotation eine Längsbewegung ausführen. Das ringförmige Lager zwischen dem Kolbenträger 41 und der Lagerscheibe 43 ist mit 45 bezeichnet.

Zusätzlich ist der Kolbenträger über ein Zwischenrad 46 auf einem Stützrad 47 abgestützt. Das Stützrad ist über Lager 48 drehbar auf der Achse 44 gelagert.

Das Turbinenlaufrad 30 ist über die Lager 49 und 50 auf der Achse 44 drehbar gelagert. Die Achse 44 und damit die Turbinenanordnung insgesamt wird auf der Seite der Abtriebs­ welle 53 von einem Turbinenstützlager 51 und auf dem diesem Lager gegenüberliegenden Ende der Achse 44 von einem Achs­ stützträger 52 gehalten.

Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind zwei Nuten für Wasser­ leitkanäle 31 und 32 vorgesehen. Der der Nut 32 zugeordnete Kolbenträger ist mit 54, das Zwischenrad mit 55, das Kolben­ trägertager mit 56 und die Lagerscheibe mit 57 bezeichnet.

Um zu verhindern, daß zwischen dem Turbinenlaufrad und den Kolbenträgern eine relative Drehbewegung stattfindet, sind im Kolbenträger Bolzen 58 angeordnet, gegen welche sich die Kol­ benstangen 42 legen können.

Der Arbeitsraum 38 wird wassereintrittsseitig durch einen in die Nut 31 hineinreichenden Nutzapfen 59 und austrittsseitig durch den Kolben begrenzt, der sich am Ende der Nutabdeckung be­ findet. Der Nutzapfen 59 bildet ein Teil der Zuführleitung 36.

Während des Betriebs tritt Wasser durch die Zuführleitung 36 in den Arbeitsraum 38 ein. Der Wasserdruck wird auf den ummittel­ bar vor dem Ende der Nutabdeckung 34 befindlichen Kolben, in Fig. 1 mit 1 bezeichnet, übertragen. Die dadurch entwickelte Umfangskraft setzt das Laufrad 30 in Drehung. Das Drehmoment wird über die hohle Antriebswelle 53 einem angeschlossenen Maschinenaggregat übertragen.

Zusätzlich wirkt der Wasserdruck auf die Kolbenstirnsei­ ten. Die in Kolbenlängsrichtung entstehenden Kräfte sind nicht radial auf den Mittelpunkt des Kolbenträgers gerich­ tet. Dadurch entstehen zwei Umfangskomponenten, die der dem Turbinenrad mitgeteilten Umfangskraft z. T. gleichgerichtet und z. T. entgegen gerichtet sind.

Durch die Rotation des Laufrades und des Kolbenträgers mit gleicher Winkelgeschwindigkeit um von einander abweichende Mittelpunkte führen diese Teile zueinander relative translatorische Bewe­ gungen aus. Dadurch erhalten die Kolben die Möglichkeit, in den Kolbenbohrungen des Laufrades Hubbewegungen auszuführen. Die Anordnung ist so getroffen, daß am Beginn des Eintritts in den Arbeitsraum die Stirnfläche des beispielsweise mit 22 bezeichneten Kolbens (Fig. 1) sich dicht an der Unterseite 60 des Nutzapfens 59 befindet. Im weiteren Verlauf verengt sich der Ringraum 61, so daß zunehmend der Kolben 22 die Positionen der Kolben 23 bis 28 einnimmt. Er schiebt sich folglich mit seiner Stirnseite bis zur Abdichtung an die Nutabdeckung 34 heran. Mit 1 ist der Kolben bezeichnet, der sich bereits dichtend an die Unterseite der Nutabdeckung angelegt hat und dadurch von der Wassereintrittsseite her mit dem Wasserdruck beaufschlagt wird. Die Rückseite des Kolbens 1 ist bereits entlastet, da der Kolben 2 die Nutabdeckung verlassen hat. Der Kolben 1 ist also einseitig druckbelastet und überträgt die Umfangskraft auf das Turbinenlaufrad 30. Im weiteren Verlauf vergrößert sich der Ringraum 61 und die Kolben werden über die Stationen 2 bis 16 in die Bohrungen 39 hineingezogen. Der Kolben 17 hat die größte Spaltbreite des Ringraumes 61 bereits überschritten und wird wieder nach außen geschoben bis er bei Position 22 dichtend an der Unterseite 60 des Nutzapfens 59 anliegt und damit den Arbeitsraum eintrittsseitig verschließt.

Es ist leicht erkennbar, daß das Arbeitsprinzip sehr ein­ fach ist. Im Arbeitsraum 38 herrscht praktisch an allen Stellen der gleiche Wasserdruck. Die Bauteile sind gering belastet und einfach aus preiswertem Material herstellbar.

Bei der Ausführung gemäß den Fig. 3 und 5 sind einige kon­ struktive Vereinfachungen vorgenommen worden. In der Lager­ scheibe 143 sind Drucktaschen 161, in welche Kanäle 160 für ein Druckmittel, beispielsweise das Fördermedium, münden. Die Druck­ taschen sind so angeordnet, daß es zu einem Ausgleich mit dem aus dem Arbeitsraum 38 herrührenden Druck über den Kolben­ träger 41 kommt. Dadurch können das Zwischenrad 46 und das Stütz­ rad 47 gemäß Fig. 2 entfallen. Die Kolbenträger 141 und 154 sind im Vergleich zu den Ausführungen 41 und 54 gem. Fig. 2 wesent­ lich schmaler, so daß auch die Achse 144 wesentlich kürzer ist als die Achse 44. Alle übrigen Teile sind einander gleich und tragen deshalb die gleichen Bezugsziffern.

Die Wirkung der Strömungsmaschine als Pumpe erfordert nur gering­ fügig abweichende konstruktive Maßnahmen (Fig. 4). Die Nut des Druckraumes wird hier ein- und austrittseitig durch zwei Nutzapfen 259 begrenzt. Die im Saugraum angesaugte Förder­ flüssigkeit wird durch die Kolben 17 bis 22 im Bereich des Druckraumes radial nach außen geschoben und dadurch in die ab­ führende Leitung gefördert. Das Pumpenlaufrad ist mit 230, die Nutabdeckung mit 234 bezeichnet. Die Kolben 240 unterscheiden sich von denen der Turbinenversion konstruktiv nicht. Sie werden durch die Kolbenstangen 242, die am Kolbenträger 241 angelenkt sind, oszillierend bewegt. Die Pumpenachse ist mit 244 und die Drucktasche mit 262 bezeichnet. Durch die kontinuierliche Förderung, im Gegensatz zur stoßweisen Förderung von Kolben­ pumpen, ist das Fördervolumen auch bei einem hohen Förderniveau wesentlich größer als bei einer Kolbenpumpe. Es wird ein gleich­ mäßiger Druck bei einem kontinuierlichen Förderstrom mit sehr hohem Wirkungsgrad erreicht. Der Erfindungsgegenstand vereint daher die Vorteile einer Kolbenpumpe mit den Vorteilen einer Kreiselpumpe.

Die erfindungsgemäße Ausbildung der Strömungsmaschine bietet den weiteren Vorteil, daß auf engstem Raum nebeneinander auf ein- und derselben Welle eine Pumpe und eine zugehörige Antriebs­ turbine angeordnet sein können. In einem solchen Fall weisen die Turbine und die Pumpe ein gemeinsames Laufrad auf. Das Lauf­ rad ist dabei mit zwei nebeneinander angeordneten Arbeitsräumen versehen, in welche die Kolben der Turbine bzw. die Kolben der Pumpe oszillierend hineinbewegt werden können. Die gesamte Aus­ führung ist extrem schmalbauend, was nur durch das vorliegende Erfindungsprinzip ermöglicht wird. Eine noch schmaler bauende Einheit ist erreichbar, wenn auf dem Umfang eines Laufrades verteilt ein Turbinenarbeitsraum und ein Pumpenarbeitsraum an­ geordnet sind. In diesem Fall verdrängen die Kolben während eines Umlaufs der Maschine im Pumpenarbeitsraum zunächst die angesaugte Flüssigkeit und treten anschließend in den Turbinenarbeitsraum ein.

Claims (7)

1. Gleichdruckströmungsmaschine für große Druckgefälle mit tangential dem Laufrad zugeführtem Wasserstrahl, der in einem von drehmomenterzeugenden Elementen absperrbaren Leitkanal der Maschine geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Leit­ kanal (31, 32) im Außenumfang des Laufrades vorgesehen ist, in welchen die drehmomenterzeugenden Elemente in Gestalt ausfahr­ barer und durch Kolbenstangen (42) zwangsgeführter, kolbenför­ miger Absperrelemente (40) zum Abschließen des abströmseitigen Arbeitsraumendes hineinschiebbar sind, wobei die Kolbenstangen (42) an einem exzentrisch innerhalb des Laufrades (30) ange­ ordneten, ringförmigen Kolbenträger (41) befestigt sind und zur Vermeidung einer Relativbewegung in Umfangsrichtung zwi­ schen dem Kolbenträger und dem Laufrad Anschlagelemente (58) vorgesehen sind.

2. Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbenträger in Drehrichtung hinter jeder Kolbenstange ein Bolzen (58) als Anschlagelement angeordnet ist.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kolbenträger von einer exzentrisch und ver­ drehsicher auf einer feststehenden Achse (44) angeordneten La­ gerscheibe (43) getragen wird.

4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Kolbenträger nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse befestigt sind und das Laufrad eine entsprechende Anzahl nebeneinander angeordnete Leitkanäle (31, 32) aufweist, deren Zuführkanäle (36, 37) auf dem Lauf­ radumfang gegeneinander versetzt angeordnet sind.

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß das Laufrad glockenförmig ausgebil­ det ist und einteilig in die Abtriebswelle (53) übergeht.

6. Verdrängermaschine, gekennzeichnet durch die Kombination einer Strömungsmaschine nach den Ansprüchen 1 bis 5 mit einer Kolbenpumpeneinrichtung, wobei das Laufrad mit wenigstens zwei axial nebeneinander angeordneten Arbeitsräumen versehen ist, von welchen einer als Turbinenarbeitsraum und einer als Pum­ penarbeitsraum ausgebildet ist.

7. Verdrängermaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich­ net, daß auf dem Umfang eines Laufrades verteilt ein Turbinen­ arbeitsraum und ein Pumpenarbeitsraum angeordnet sind, so daß die Kolben während eines Umlaufs der Maschine zunächst im Pum­ penarbeitsraum die angesaugte Flüssigkeit verdrängen und an­ schließend in den Turbinenarbeitsraum eindringen.