NO140354B - Hydraulisk maskin. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en hydraulisk maskin innrettet for energi-overføring ved samvirke mellom pumpe og turbin. En sådan maskin, kjent under navnet "Isogyre" (varemerke) omfatter en hydraulisk turbin og en pumpe sammenbygget til en kompakt enhet forsynt med et særegent spiralformet hydraulisk kammer eller såkalt spiralhus. Løpehjulene for henhv. turbinen og pumpen er montert på en felles akse med pumpens innløp og turbinens utløp orientert i innbyrdes motsatt retning. Skovel-føringen for nevnte løpehjul er utført for samme rotasjonsretning ved turbindrift og pumping. Den ensartede rotasjonsretning for en sådan maskin er gjort mulig, på tross av bare et eneste spiralhus, ved hjelp av strømningsavbøyning i retning av tangensialkomponenten for vannstrømningen i spiralhuset, idet nevnte strømningsavbøyning frembringes enten mellom huset og turbinhjulet, eller mellom pumpehjulet og spiralhuset.

Denne kjente maskin omfatter videre anordninger (f.eks. forede sluser) som muliggjør adskillelse av spiralhusets indre rom fra rotasjonsrommet for pumpehjulet, henhv. turbinhjulet. Det vil således være mulig å koble ut pumpen under turbindrift og turbinen under pumping, med det formål å unngå energitap ved parasittstrømninger.

I de maskiner av denne art som er hittil foreslått eller til-virket, er pumpehjulet og turbinhjulet anordnet hovedsakelig symmetrisk i forhold til medianplanet for spiralhuset samt plassert så nær dette plan som mulig. De hydrauliske strømningskanaler som forbinder spiralhuset med turbinhjulet på den ene side og pumpehjulet med huset på den annen side,

er anordnet i det ringformede området som avgrenses av hjulenes omkrets og den indre sylindervegg av spiralhuset. Strømnings-avbøyningen i retning av tangensialkomponenten for vann-strømningen i spiralhuset, frembringes i dette sterkt begrensede ringformede området, enten ved avbøyning av innløpet til turbinens ledeskovler, eller ved krumning av utløpskanalene fra pumpens diffusor.

På grunn av at nevnte strømningsavbøyninger skjer over for-holdsvis korte strekninger nedsettes maskinens samlede virkningsgrad, som er sammensatt av henholdsvis turbinens og pumpens virkningsgrad.

På denne bakgrunn av kjent teknikk er det et formål for foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en hydraulisk maskin av ovenfor angitt art, men hvori de påkrevede strømningsavbøyninger i retning av tangensialkomponenten for vannstrømningen i spiralhuset kan finne sted over betraktelig lengere strekninger enn det som tidligere har vært mulig, således at vesentlig høyere samlet virkningsgrad for maskinen kan oppnås.

Oppfinnelsen gjelder således en hydraulisk maskin som omfatter en turbin og en pumpe med pumpens innløp og turbinens utløp innbyrdes motsatt rettet, og hvori turbinéns og pumpens løpe-hjul sitter på samme aksel og er anordnet for, hver for seg og med samme rotasjonsretning, å samarbeide med et spiral-

hus, som både står i forbindelse med turbinens ledeskovler og pumpens utløp, samt organer er anordnet for å avstenge husets indre rom fra rotasjonsrommet for henholdsvis turbinens og pumpens løpehjul.

Maskinens særtrekk i henhold til oppfinnelsen består herunder i at ett av nevnte lø<p>ehjul er anordnet hovedsakelig i spiralhusets medianplan, mens det annet hjul er anordnet i vesentlig avstand fra nevnte medianplan og står i forbindelse med spiralhuset gjennom rørkanaler som er utformet for å forandre retningen av tangensialkomponenten av strømningen i nevnte kanaler.

Oppfinnelsen vil nå bli nærmere forklart ved hjelp av utførelseseksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: Fig. 1 viser et aksialsnitt gjennom en hydraulisk maskin i

henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 viser tverrsnitt langs linjene II-II, III-III og IV-IV

i fig. 1;

Fig. 3 viser et aksialsnitt gjennom en første utførelses-variant av maskinen i fig. 1; Fig. 4 viser et aksialsnitt gjennom en ytterligere utførelses-variant; Fig. 5 viser et tverrsnitt gjennom linjen V-V i fig. 4, og Fig. 6 viser en del av et liknende snitt som i fig. 5, gjennom

en tredje utførelsesvariant av maskinen i fig. 1.

Den maskin som er vist i fig. 1, omfatter et eneste spiralhus 12, en turbin i ett trinn og en pumpe i ett trinn. Turbin-løpehjulet 15 og pumpeløpehjulet 23 er montert på en felles vertikal aksel 13, med pumpens innløpsåpning 24 vendt motsatt turbinens utløpsåpning 14. Skovlene på de nevnte løpehjul er anordnet for rotasjon i samme retning.

Turbinhjulet 15 er plassert hovedsakelig i medianplanet for spiralhuset 12. Tilførselskanalen for vanntilførsel til turbinhjulet 15 er helt og holdent anordnet i det ringformede området som avgrenses av omkretsen av dette hjul og spiralhusets sylinderformede innervegg. Den tangensielle strømnings-retning for vannet i spiralhuset bibeholdes uten forandring langs hele lengden av denne kanal (se fig. 2, snitt II-II).

Det faste ledeapparat 4 for turbinen er utformet i samsvar med konstruksjonskriteriene for Francisturbiner. Det samme er tilfellet for ledeskovlene 5 som tilsammen utgjør turbinens innstillbare ledeapparat. Denne fordeler styres av en vanlig mekanisme, som utgjøres av en skyvering 11 som over en driv-stanganordning 1 påvirker dreietapper 2 for skovlene 5.

En sperreanordning, som f.eks. skyveventilen 3, muliggjør adskillelse av det indre rom i spiralhuset 12 fra rotasjonsrommet for turbinhjulet 15. De innstillbare ledeskovler 5

i ledeapparatet kan imidlertid også anvendes for samme formål. Skyveventilen 3 er anordnet mellom det faste ledeapparat 4 og ledeskovlene 5, men kan også være plassert mellom skovlene 5 og turbinhjulet 15.

Pumpehjulet 23 er anordnet i en vesentlig avstand fra medianplanet for spiralhuset 12.

Et faststående konstruksjonselement 16, som bærer et lager 19 for akselen 13, er anbragt mellctai nevnte løpehjul 15 og 23. Avbøyningskanaler 7 som oppretter hydraulisk forbindelse mellom pumpehjulet 23 og spiralhuset 12, er anordnet langs omkretsen av det faste konstruksjonselement 16. Utstikkende tverr-ribber 8 på nevnte element 16 utgjør sidevegger for avbøynings-kanalene 7 (fig. 2).

Forskjellige ringformede kammere 17, 20 som omgir akselen, er anordnet i elementet 16 på begge sider av lageret, og står i forbindelse med den ytre atmosfære gjennom kanalpassasjer 18, 21 i ribbene 8 på det faststående konstruksjonselement 16.

Disse ringformede kammere 17, 20 sørger for forskjellige arbeidsfunksjoner, som f.eks. oljesirkulasjon i lageret, avløp for vannlekkasjer, ventilasjon, kjøling eller drenering. Pumpehjulet 23 er montert frittbærende ved enden av den felles aksel 13; idet hjulets helt frie innløpsåpning 24 da kan motta vann under de gunstigste hydrauliske forhold.

Pumpens faststående diffusor 9 med ledevinger anordnet på vanlig måte (se fig. 2, snitt III-III) er plassert langs omkretsen av pumpehjulet. Disse vinger påvirker ikke retningen av den tangensiale strømningskomponent ut fra pumpehjulet 23. Vingenes anordning og deres tilpasning til de avbøyde strømnings-kanaler bygger på den teknikk som anvendes for returkanalene i flertrinnspumper.

Avbøyningskanalene 7 som pumpens diffusor 9 munner ut i, sikrer hydraulisk tilpasning og gradvis avbøyning i retning av tangensialkomponenten for vannstrømningen mellom omkretsen av pumpehjulet 23 og spiralhuset 12. Disse kanaler munner ut i spiralhuset ved 6 i en vinkel som gir vannstrømningen fra kanalene 7 en strømningsretning nær den naturlige strømnings-retning for vannet i spiralhuset (se fig. 2, snitt IV-IV).

En sperreanordning utført som skyveventil er plassert mellom omkretsen av pumpehjulet 23 og dets diffusor 9 for å muliggjøre avsperring av det indre rom i spiralhuset 12 fra rotasjonsrommet for pumpehjulet 23.

Det vil innses at det kan angis tallrike utførelsevarianter

av den konstruksjon som er vist i fig. 1 og 2.

Med hensyn til den utførelsesvariant som er vist i fig. 3, munner avbøyningskanalene ut i et annet parti av ytterveggen av spiralhuset 12. Disse avbøyningskanaler kan utgjøres av et antall innbyrdes adskilte rørkanaler 22. I dette tilfelle er kanalpassasjene 18, 21 ført på mest mulig hensiktsmessig måte gjennom elementet 16, hvis tverribber ikke lenger." nødvendigvis behøver å utgjøre sidevegger for avbøyningskanalene.

I den utførelsesvariant som er vist i fig. 4, utgjøres av-bøyningskanalene av flere innbyrdes adskilte rørkanaler 22,

som er ført på utsiden av elementet 16, uten direkte forbindelse

med dette element.

Disse rørkanaler 22 munner ut ved 6 på omkretsen av spiralhuset 12, i en vinkel som gir vannstrømningen en retning nær den naturlige strømningsretning i spiralhuset. Rørkanalene kan ellers også munne ut i en annen yttervegg av spiralhuset. Tverrsnitt gjennom denne utførelsesvariant viser i fig. 5 den hydrauliske anordning av henholdsvis pumpen og og turbinen.

Venstre side av denne figur viser de delvis spiralformede avbøyninger 25, som er anordnet langs periferien av pumpehjulet 23, og som hver går over i et divergerende røravsnitt 26 som danner diffusor og innløp til en avbøyningskanal 22.

I den utførelsesvariant som er vist i fig. 6, er de delvis spiralformede avsnitt 25 anordnet ved periferien av en diffusor med faste blader 9. Rørstussene 26 kan også ha konstant tverrsnitt.

Skyveventilen 10 kan erstattes av innbyrdes adskilte avstengningsorganer, som etter ønske kan anbringes i hver av de adskilte rørkanaler som er omtalt under henvisning til de to sistnevnte utførelsevarianter.

Maskinens aksel kan være vertikal, horisontal eller skråstilt. Turbinhjulet 15 og/eller pumpehjulet 23 kan være radialhjul, diagonalhjul eller aksialhjul.

Pumpen med sin fritt opphengte rotor på akselenden kan være anordnet i to pumpetrinn, mens turbinen kan omfatte ett eller to trinn. Akslen kan være av gjennomløpende type (f.eks. som ved en Francis-dublett) enten turbinen og pumpen omfatter ett eller flere trinn.

Pumpen kan være utstyrt med retningsinnstillbare diffusorer. De respektive plasseringer av turbinhjulet og pumpehjulet i forhold til spiralhusets medianplan kan være som beskrevet

ovenfor eller vise versa.

Blant de oppnådde tekniske og økonomiske fordeler ved de ovenfor beskrevede sammenstillinger av turbin og pumpe i henhold til oppfinnelsen, skal det spesiélt fremheves følgende: Retningsforandringen av vannstrømningens tangensialkomponent finner sted gradvis og gir små tap i avbøyningskanalene.

Denne prosess finner sted mellom utgangen fra pumpens

diffusor og spiralhuset. Dette er utelukket ved maskiner av "Isogyre"-typen som er bygd på grunnlag av kjent teknikk. Hvilken form de krumme diffusorer en antar, i dette tilfelle, vil de sekundære strømninger som fremkalles av strømlinjens sterke krumning forstyrre strømningsmønstret i den avdempede strømning i diffusoren, hvilket vil bevirke betydelige energitap. Alle elementer i den turbin som er inkludert i den beskrevede hydrauliske maskin, er utformet og fungerer som i en tilsvarende turbin av klassisk utførelse. De tilleggstap som fremkom ved de tidligere konstruksjoner på grunn av de krumme tverr-ribber i turbinen, kan nå hensiktsmessig unngås, samtidig som virkningsgraden under turbindrift øker, uten at dette skjer på bekostning av ydelsen under pumping.

Ved maskiner av "Isogyre"-typen i henhold til kjent teknikk holdes tilleggstapene frembragt, ved sekundærstrømmene i forbindelse med de krumme tverr-ribber i turbinen, innenfor rimelige grenser ved å frembringe en aksellerasjon ved passasje av ribbene, hvilket bare kan oppnås ved en vesentlig overdimensjonering av spiralhuset. I motsetning til dette kan i foreliggende maskin i henhold til oppfinnelsen tilsvarende ribber utformes i overensstemmelse med vanlige konstruksjons-kriterier for Francis-turbiner, således at tidligere er-faringer utnyttes for å oppnå minimalt energitap, samtidig som et langt mindre spiralhus kan anvendes. Optimal virkningsgrad er således sikret, samtidig som det oppnås et økomisk materialbruk og en omfangsreduksjon for den foreliggende maskin, hvilket har fordelaktig virkning på anleggsdimensjoner og produksjonsomkostninger.

I det ekstraordinære tilfelle hvor økonomisk pumpedrift

er viktigere enn økonomisk turbindrift, er det mulig å favorisere pumpens virkningsgrad på bekostning av en svak senkning av turbinens virkningsgrad, ved å bytte om pumpehjulets og turbinhjulets respektive plasseringer i forhold til spiralhusets medianplan. Pumpens diffusorer munner da direkte ut i spiralhuset, og disse diffusorer kan utformes på grunnlag av ervervet erfarting for å oppnå optimal arbeids-funksjon. Den gradvise retningsforandring av vannstrømningens tangensiale komponent er likevel sikret ved de avbøyningskanaler som forbinder spiralhuset med turbinens ledeapparat.

Plassering av et føringslager mellom turbinhjulet og pumpehjulet medfører åpenbare konstruktive fordeler og frem-

bringer også gunstige hydrauliske forhold. Akslens kritiske omdreiningstall unngås lett, uten at det vil være nødvendig å øke dens diameter utover de verdier som er nødvendig av hensyn til det overførte dreiemoment. Akslen vil således bli billigere. Klaringene i hjulenes vanntilførseler kan nedsettes, da en konsentrisitetsfeil ikke behøver å fryktes, således at vann-lekkasjen kan reduseres til fordel for virkningsgraden. Den frie opphengning av pumpens rotor frigjør fullstendig pumpens inn-sugningsåpning til fordel for pumpehjulets kavitasjonsfasthet. Ved samme trykkforhold nedsettes således erosjonen på grunn av kavitasjon, og med samme erosjonsrisiko kan maskinen utnytte lavere trykkforhold. En nedsetning av bygge- og drifts-omkostningene kan derved oppnås.

I maskiner av typen "Isogyre" i henhold til kjent teknikk, tillater ikke den innkoblede felles vannavtetning mellom turbinhjulet og pumpehjulet noen optimal utlikning av aksial-trykkene under alle driftsforhold. I den beskrevede maskin i henhold til■oppfinnelsen kan de tilsvarende forbindelser dimensjoneres individuelt for hvert av hjulene og aksial-trykkene holdes på meget lavere verdier.

Evakueringen av lekkasjevann fra hjulenes vannavtetninger har hittil funnet sted gjennom kanaler ført gjennom en sentral såle anbragt mellom pumpehjulet og det nærliggende turbinhjul. Disse kanaler er da ført gjennom spiralhusets tverr-ribber. Den praktiske utførelse av disse kanaler medfører vanskelige og dyre arbeidsprosesser. Ved den foreliggende maskin i henhold til oppfinnelsen evakueres lekkasjevann ved hjelp av de viste kammere i føringslagret og de angitte dreneringskanaler gjennom dette, hvilket er en langt mer økonomisk utførelse.

Videre er dreneringskanalene meget korte og rettlinjede, hvilket også letter evakueringen av lekkasjevann.

Claims (10)

1. Hydraulisk maskin som omfatter en turbin og en pumpe

med pumpens innløp (24) og turbinens utløp (14) innbyrdes motsatt rettet, og hvori turbinens og pumpens løpehjul (15, 23) sitter på samme aksel og er anordnet for, hver for seg og med samme rotasjonsretning, å samarbeide med et spiralhus (12), som både står i forbindelse med turbinens ledeskovler (5) og pumpens utløp (9), samt organer er anordnet for å avstenge husets indre rom fra rotasjonsrommet for henholdsvis turbinens og pumpens løpehjul;karakterisert ved at ett av nevnte løpehjul (15) er anordnet hovedsakelig i spiralhusets medianplan, mens det annet hjul (23) er anordnet i vesentlig avstand fra nevnte medianplan og står i forbindelse med spiralhuset (12) gjennom rørkanaler (7, 22) som er utformet for å forandre retningen av tangensialkomponenten av strømningen i nevnte kanaler.

2. Maskin som angitt i krav 1,karakterisert ved at det mellom nevnte løpe-hjul (15, 23) er anordnet et fast konstruksjonselement (16) av spiralhuset, og som bærer et føringslager (19) for akselen (13).

3. Maskin som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at forskjellige ringformede kammere (17, 20) som omgir akselen, er utformet i det faste konstruksjonselement (16) og står i forbindelse med den ytre atmosfære gjennom kanalpassasjer (18, 21).

4. Maskin som angitt i krav 1-3,karakterisert ved at nevnte retningsendrende rørkanaler (7) er dannet mellom skillevegger i et ringkammer som er innbygd i det faste konstruksjonselement (16) og forbundet med strømningskammeret (12).

5. Maskin som angitt i krav 1-3,karakterisert ved at nevnte retningsendrende rørkanaler (22) i det minste delvis består av rørstusser, som er tilsluttet spiralhuset (12).

6. Maskin som angitt i krav 5,karakterisert ved at avstengningsorganer er anordnet i forbindelse med rørstussene.

7. Maskin som angitt i krav 1-6,karakterisert ved at turbinhjulet (15) hovedsakelig er anordnet i medianplanet for spiralhuset (12), mens pumpehjulet (23) er plassert aksialt forskjøvet i forhold til dette plan, og nevnte retningsendrende rørkanaler (7, 22) forbinder utløpet av pumpens diffusor (9, 26) med spiralhuset (12).

8. Maskin som angitt i krav 1-6,karakterisert ved at pumpehjulet (23) hovedsakelig er anordnet i medianplanet for spiralhuset (12), mens turbinhjulet (15) er plassert aksialt forskjøvet i forhold til dette plan, og de retningsendrende rørkanaler (7, 22) forbinder spiralhuset (12) med turbinens ledeskovler (5).

9. Maskin som angitt i krav 1-8,karakterisert ved at den felles aksel (13) for nevnte løpehjul (15, 23) utgjøres av en utragende akseltapp, og pumpehjulet (23) er slik opplagret på akseltappens fri ende at pumpens sugeåpning (24) ligger helt fritt.

10. Maskin som angitt i krav 1-8, karakterisert ved at pumpen og/eller turbinen er utført i flere trinn.