NO782459L - Hydraulisk maskin. - Google Patents

Description

Hydraulisk maskin.

Foreliggende oppfinnelse angår en hydraulisk maskin som omfatter en turbin og en pumpe anordnet for å rotere sammen, omfattende en kanal tilkoblet en tilførselsledning, ventiler anordnet mellom turbinens løpehjul og pumpehjulet, hvilke hjul er montert med innbyrdes avstand på en felles aksel, idet henholdsvis innløps-røret for pumpen og utløpsrøret for turbinen er rettet innbyrdes motsatt.

Oppfinnelsen angår en hydraulisk maskin av den type som er beregnet for overføring av energi ved en kombinasjon av pumpe og turbin.

I slike maskiner er ventiler anordnet mellom spiralhuset og hvert av hjulene. Tømmeinnretninger muliggjør tømning .og etterfølgende fylling av det ene eller annet av disse hjul, etter stengning av tilhørende ventil.

Slike maskiner startes ved bruk av turbinen. Etter at generatoren er tilkoblet strømnettet, kan etterfølgende forandringer av driften bevirkes ved betjening av ventilene og tømmeinnretningene.

Samme rotasjonsretning for pumpe og turbin, til tross for at det bare finnes et spiralhus, er muliggjort ved anvendelsen av vendekanaler som har til oppgave å forandre den tangensielle komponent av strømningen mellom spiralhuset og det ene<c>eller det annet av de to hjul. Det kan anvendes enten en reverseringsinnretning for turbinen, anordnet mellom spiralhuset og turbinhjulet, eller en reverseringsinnretning for pumpen anordnet mellom pumpehjulet og spiralhuset.

Hittil har utviklingen av slike maskiner ført til to generasjoner av utførelser som i prinsippet er innbyrdes forskjellige med hensyn til plasseringen og utførelsen av reverseringsinnretningene. I maskiner av den første generasjon er turbinens løpehjul og pumpehjulet anordnet inntil hverandre og innbyrdes sammenføyd, og reverseringsinnretningen er anbragt i rommet mellom den ytre omkrets av hjulene og spiralhuset som omgir hjulene.

I dette begrensede rom vil den saktegående strøm av fluid gjennom en reverseringsinnretning, forårsaket av for meget buede sperre-elementer på grunn av den lille plass som er disponibel, medføre spredningsfenomener og motstrømmer som forårsaker uttillatelige energitap. Av denne grunn brukes det i denne generasjon av maskiner reverseringsinnretninger for turbinen, dannet av sperre-elementer uten krumning som gjennomstrømmes av en aksellerert strøm, og ikke. reverseringsinnretninger for pumpen.

Nødvendigheten av å forbedre ytelsen for turbinen og å unngå anvendelsen av en reverseringsinnretning for turbinen har ført til utviklingen av den annen generasjon maskiner av denne type.

I den annen generasjon er turbinens løpehjul og pumpehjulet anordnet i innbyrdes aksial avstand, for å oppnå nødvendig plass til hovedsakelig rettlinjede difusorer for pumpen og en reverseringsinnretning med en tilstrekkelig forbedret utformning til å unngå de nevnte energitap.

Dessuten gir dette de følgende, ytterligere fordeler: Det blir mulig å redusere de aksiale krefter og å dimensjonere sammen-føyningen mellom de to hjul etter dette. Drenering av lekkasje fra sammenføyningen forenkles. Et støttelager kan monteres mellom hj ulene.

Et vesentlig trekk ved maskiner av den annen generasjon er at pumpens difusorer, samt en vesentlig del av reverseringsinnretningene, befinner seg utenfor det rom som begrenses av omkretsen av turbinens løpehjul og den ytre flate av det felles spiralhus som omgir hjulet.

Til tross for de forbedringer den annen generasjon av slike maskiner har medført, oppviser disse maskiner stadig visse ulemper.

Ved en utførelsesform utgjøres reverseringsinnretningene av en passende skilleanordning i det midtre område av maskinen. De konstruktive trekk som betinges av de store påkjenninger som ut-øves av denne del har ført til at det anvendes vendekanaler som er trange og sterkt buede, slik at de fordeler som oppnås ved denne løsning delvis oppveies av ulemper. Dessuten er en slik reverseringsinnretning tung, og fremstillingen er kostbar.

Ved en annen utførelsesform forløper det fra pumpehjulet flere spiralhus, difusorer og kanaler som danner reverseringsinnretningen. Disse kanaler går på skrå sammen med veggen i det felles spiralhus. Selv om de er mindre buet, er disse reverseringsinnretninger for lange, og energitapet på grunn av friksjon er betydelig. Dessuten svekker dette de sterkt påkjente vegger.i spiralhuset, som er utformet med flere elliptiske åpninger. Det blir nødvendig å anordne forsterkningsstag for å motvirke denne svekning, men disse øker åpningene. Skråretningen for forbindel-sene kan reduseres, hvilket har den ulempe at energitapet på grunn av reverseringsinnretningen øker.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å unngå i nevnte ulemper ved hjelp av en annen plassering av reverseringsinnretningen, hvilket gjør fremstillingen mindre kostbar og øker effek-tiviteten.

Maskinen i henhold til oppfinnelsen, som omfatter de trekk som er angitt innledningsvis, kjennetegnes ved at den omfatter en reverseringsinnretning som befinner seg i det minste delvis inne i spiralhuset, hvilket er utstyrt med en indre skillevegg som deler huset i to kammer, av hvilket det ene danner spiralkanaler for turbinen som reverseringsinnretningen munner ut i.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere ved hjelp av utførelseseksempler vist på de vedføyde tegninger.

Fig. 1 viser, delvis i aksialsnitt etter linjen I-l i fig. 2,

en maskin i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 viser maskinen sett fra en ende, i snitt etter linjene IIA-IIA, IIB-IIB og IIC-IIC i fig. 1. Fig. 3A og 3D viser aksialsnitt etter linjene IIIA-IIIA, IIIB-IIIB, IIIC-IIIC og IIID-IIID i fig. 2. Fig. 4 viser et aksialsnitt etter linjen IV-IV i fig. 5, av en første utførelsesform.

Fig. 5 viser tverrsnitt etter henholdsvis linjene VA-VA og VB-VB

i fig. 4.

Fig. 6 viser et aksialsnitt gjennom den første utførelsesform,

der det anvendes en pumpe av diagonaltype.

Fig. 7 viser, delvis i aksialsnitt etter linjen VII-VII i fig. 8, en annen utførelsesform av maskinen. Fig. 8 viser maskinen i fig. 7 sett fra en ende, og i tre forskjellige tverrsnitt, henholdsvis etter linjene VIIIA-VIIIA,

VIIIB-VIIIB og VIIIC-VIIIC.

Figurene 9A til 9D viser aksialsnitt etter henholdsvis linjene IXA-IXA, IXB-IXB, IXC-IXC og IXD-IXD i fig. 8.

Maskinen omfatter en aksel 1, som i det viste eksempel er vertikal, men som. kan ha andre retninger, f .eks., horisontal.

Et lopehjul 2 for turbinen og et pumpehjul 3, anordnet for

samme rotasjonsretning, er montert med innbyrdes avstand på

den felles aksel 1. Et lager 4 montert på den midtre del 5 av maskinen er anordnet mellom de to hjulene 2 og 3. Pumpehjulet 3 er montert på den frie ende av akselen 1. Akselen kan også være gjennomgående, med opplagring utenfor hjulene i maskinen.

Utlopet 6 for turbinen og innlopet 7 for pumpen er orientert innbyrdes motsatt.

De faste ledeskovler 8 for turbinen og de innstillbare ledeskovler 9 er av vanlig utforelse for denne type maskiner. En sylindrisk ventil 10 gjor det mulig å avbryte driften av turbinhjulet 2.

Den sylindriske ventil 10 er montert mellom den ytre omkrets av turbinhjulet 2 og de.innstillbare ledeskovler 9. Den kan også være montert mellom ledeskovlene 9 og de faste ledeskovler 8. Denne ventil kan også sloyfes i de tilfeller der ledeapparatet gir fullstendig tetning.

En sylindrisk ventil 11 er anordnet langs omkretsen av pumpehjulet 3, mellom dette og ledeskovlene 12 for pumpen. Et innstillbart ledeapparat for pumpen kan også være montert. Difusorvirkningen oppnås ved hjelp av ledeskovlene 12, som er av vanlig utforelse, hovedsakelig rettlinjet, i det minste i nærheten av hjulet.

De faste ledeskovler 8 for turbinen er anordnet mellom en ytre ring 13 og en indre ring 14. Likeså er ledeskovlene 12 for pumpen anordnet mellom en ytre ring 15 og en indre ring 16.

Disse forskjellige ringer kan være laget med forskjellige diametere.

Gjennom ledeskovlene 12 for pumpen og den ytre ring 15 og den indre ring 16 forloper kanaler 17. Disse muliggjdr drenering av lekkasjevann i de hydrauliske, indre overganger mellom de to hjulene, og har diverse andre oppgaver.

En kanal 18 forloper rundt maskinen. Ved en overfladisk betrakt-ning kan denne kanal 18 synes å utgjore en helt vanlig spiral-kanal for en turbin. Imidlertid oppviser denne kanal visse særpreg: Kanalen 18 har en ytre vegg dannet av sveisede seksjoner 19, hvilke forbinder den ytre ring 13 for turbinens ledeapparat med den ytre ring 15 for pumpens ledeapparat, mens en indre vegg 20 forbinder den indre ring 14 i turbinens ledeapparat med den indre ring 16 i pumpens ledeapparat.

Seksjonene 19 i den ytre vegg i kanalen er utformet som sirkelsegmenter, og de er symmetriske, idet de ringer i ledeapparatene som seksjonene forbinder har samme diameter. Imidlertid vil disse seksjoner være usymmetriske dersom de forbinder ledeapparat-ringer med innbyrdes forskjellige ytre diametere.

Seksjonane 19 i den ytre vegg av kanalen 8 forloper i form av en spiral rundt et parti av omkretsen av maskinen. Bortsett fra noen få er disse seksjoner, 19a i fig.. 2, innbyrdes like. Seksjonene ligger således som en mangekant innskrevet i en sirkel som har sentrum liggende i aksen for maskinen.

I de tilfeller segmentene 19a skal danne sirkelsegmenter med mindre hoyde, forandres formen ved avrunding av kantene i nærheten av sammenføyningene med ringene for ledeapparatene, for å redusere de mekaniske påkjenninger som oppstår under drift, på samme måte som den teknikk som anvendes for bunnen av dampkjeler.

Seksjonene 19b ved innlopet (fig. 2), som er storre enn de ovrige, er festet til innlopsroret 21 for kanalen. De innbyrdes like seksjoner 19a danner vegger i et parti av kanalen 18 der denne har mindre dimensjoner.

Grensen mellom de seksjoner som danner spiralform og de som danner sirkelform bestemmes ved energimessige beregninger. Segmentene med mindre dimensjoner danner således, på grunn av avstanden mellom ringene 13 og 15 som segmentene er festet til, flattrykte sirkelsegmenter (fig. 3d) med en lite gunstig hydraulisk radius, og påvirker folgelig ytelsen for maskinen i negativ retning. Beliggenheten av denne grense er mellom to yttergrenser, der

alle seksjoner henholdsvis danner spiralform, henholdsvis sirkelform.

Den indre vegg 20 i kanalen er dannet av en sylinder som med sine to ender er festet til de indre ringer 14 og 16 for ledeapparatene til henholdsvis turbinen og pumpen. Denne vegg kan ha konisk form. Den kan likeså være dannet..av seksjoner som er sveiset sammen, til form av sirkelsegmenter eller andre former som er tilpasset de mekaniske påkjenninger som oppstår under drift av maskinen.

Forskjellige ledevegger er anbragt inne i kanalen. Disse omfatter for det forste den nevnte skillevegg 22 som avgrenser rommet 23 for reverseringsinnretningen fra rommet 24 i kanalen. Dessuten finnes en sammenhengende vegg 25 (fig. 3d) i den sone

av kanalen 18 som er dannet av de små, innbyrdes like seksjoner 19a. Hensikten med den sammenhengende vegg 2 5 er å avgrense rommet 24 fra et tomrom som utgjor resten av tverrsnittet av kanalen, og på den måten å gi den kontinuerlige tverrsnittsforandring langs kanalen som kreves for optimal drift av turbinens lopehjul og således for å sikre riktig funksjonering for maskinen.

Skilleveggen 22 hindrer at det er dannet uregelmessigheter i form eller tverrsnitt, hvilket kunne ha vært resultatet dersom reverseringsinnretningen var anbragt i kanalen 18.

Skilleveggen 22 og den sammenhengende vegg 25 kan ha mange forskjellige utformninger i forhold til det som er vist på tegningen.

I den sammenhengende vegg 25 er anordnet utligningsåpninger. Disse bevirker, med unntak av dynamiske virkninger, utjevning av trykkforskjeller mellom de to flater. For fremstilling av veggene 22 og 25 kan anvendes tynne plater som er lette å sveise.

Reverseringsinnretningen 23 er som nevnt i sin helhet anbragt inne i kanalen 18. Den oppfanger fluidet som strommer ut av ledeapparatet 12 for pumpen for å bringe fluidet inn i kanalen 24..

Ved den beskrevne utfgrelsesform omfatter reverseringsinnretningen 23 en rad med buede armer 25 (fig. 2) festet til ytterflaten av den indre vegg 20 i kanalen.. Den indre vegg 20 utgjor dessuten en flate i kanalene for reverseringsinnretningen 23. D<G>n motsatte flate er dannet av en ringformet plate 26 som "henger sammen med skilleveggen 22. Det er tilstrekkelig plass til at formen av armene 25 og ringen 26 kan bestemmes uten hensyn til annet enn å oppnå en fluidstrom uten energitap. Fremstillingen av den tynne plate som inngår i reverseringsinnretningen, og som utsettes for små mekaniske påkjenninger, byr ikke på vanskeligheter.

Raden av armer 2 5 kan også deles i to rader. Med den forste,

i nærheten av ledeapparatet 12 for pumpen, unngås den uonskede tangensiale komponent av vannstrommen, mens den annen, i nærheten av der reverseringsinnretningen 23 går sammen med spiralhuset 24, frembringer den anskede tangensiale komponent. Mellom disse to rader styres den aksiale fluidstrom av den indre vegg 20 i kanalen 18 og av en koaksial skillevegg. Det ringformede element av kanalen i reverseringsinnretningen kan være progressivt utvidet, og tilkoblet en ytterligere difusor langs reverseringsinnretningen.

I forhold til den utforelsesform som er vist i fig. 1 til 3 fore-ligger flere muligheter til variasjoner: I fig. 4 og 5 er vist en utforelsesform der ledeapparatet 27 for pumpen er forlenget innover i kanalen 28 med flere adskilte ror 29. Disse ror har forst form av en rettlinjet difusor, og er deretter avboyd slik at de munner ut i spiralhuset 30 på en slik måte at fluidet får den onskede tangensiale komponent.

Fig. 6 viser anvendelsen av samme utforelse for en pumpe av diagonaltypen.

De forskjellige varianter kan kombineres. Således kan de adskilte kanaler være forlenget med en ringformet kanal som er koaksial med en indre vegg i spiralhuset.

Den samme geometri for kanalene kan også oppnås ved at kanalene

er dannet inne i et stopt legeme, idet rorene ikke er adskilt eller bare delvis er adskilt innbyrdes.

Ved den utforelsesform som er vist i fig. 7 til 9 er difusorene

i ledeapparatet 31 for pumpen utstyrt med en forlengelse 32. Forlengelsen er fort inn i kanalen 33, mellom den ytre ring 34

for pumpens ledeapparat og en ringformet skillevegg 35.

Forlengelsen 32 av difusorene munner ut i en rad av armer 36 i reverseringsinnretningen, mellom elementene 34 og 35.

De tykke armer som anvendes ved denne type reverseringsinnretning muliggjor dannelsen av kanaler 37 for drenering av lekkasjevann og for andre formål.

Forlengelsen av difusorene og armene i reverseringsinnretningen kan også være sveiset til ytterveggen 38 i kanalen 33.

Det parti av kanalen 33 som har sirkelform har storre dimensjon ved denne variant enn ved de foregående (fig. 2 og 3). Ved de utforelsesformer der seksjonene i spiralkanalen er avflatet vil seksjonene i ytterveggen 38 forstyrre fluidstrommen fra reverseringsinnretningen 36.

I det parti av kanalen som har sirkelform stiger den sammenhengende vegg 3 9 progressivt, med spiralform. I dette parti betinger reverseringsinnretningen 36 en forlenget kanal 40 (fig. 9d)

som en forlengelse av reverseringsinnretningen. Ytterveggen 38 av kanalen utgjor yttervegg for forlengelseskanalen. Innerveggen 41 av denne er dannet av konsentriske seksjoner av tynne plater. Styrekanalene 42, som har skrådd munning for å gi vannet som strommer ut av reverseringsinnretningen 36 den gunstigst mulige retning, gir også avstivning av konstruksjonen.

Som tidligere nevnt kan reverseringsinnretningen 36 være delt

i to rader.

For enheter av meget store dimensjoner er det mulig å dele

veggene og ringene i ledeapparatene i flere elementer som sammenfoyes ved hjelp av flenser eller på annen måte.

Hjulene som anvendes for turbinen og pumpen i maskinen kan være

av radialtype, diagonaltype eller aksialtype. Pumpen kan ha to trinn, og turbinen ett, og både pumpen og turbinen kan ha flere trinn.

De tekniske og okonomiske fordeler som oppnås med den foreliggende oppfinnelse kan oppramses som folger: Oppfinnelsen muliggjor utnyttelsen av de fordeler reverseringsinnretninger gir samt det fremskritt som ligger i maskinen av den nevnte annen generasjon, i forhold til maskiner av den forste generasjon.

Reverseringsinnretningene kan være utfort på mange måter, og det unngås de store mekaniske påkjenninger som opptrer ved tidligere kjente innretninger. Fremstillingen,, av tynne plater, byr ikke på vanskeligheter.

Fordi det unngås mekaniske påkjenninger, og fordi det er tilstrekkelig disponibel -plass, kan reverseringsinnretningene utformes uten hensyn til annet enn å oppnå den beste virkning og å minske energitapet. Ytelsen ved drift av pumpen er betydelig oket.

Den separate, midtre del, som utgjor en uheldig og kostbar del

av maskiner i den annen generasjon, er unngått, og det samme er åpninger som reduserer styrken i spiralkanalen i de tidligere — kjente maskiner. Alt i alt er oppnådd en forbedring med hensyn til omkostningene med fremstillingen.

Claims (7)

1. Hydraulisk maskin omfattende en turbin og en pumpe anordnet for rotasjon i samme retning, med en kanal (18) tilkoblet en tilforselsledning, ventiler (14,. 12) anordnet mellom kanalen og lopehjulet (2) for turbinen og pumpehjulet (3), idet hjulene er montert med innbyrdes avstand på en felles aksel (1) og utlopet (6) fra turbinen og innlopet (7) for pumpen er rettet innbyrdes motsatt, karakterisert ved at den omfatter en reverseringsinnretning.. (23) for vann fra pumpen, anordnet i det minste delvis 'inne i kanalen (18), utstyrt med en indre vegg (22) som deler kanalen i to kammer, av hvilket det ene kammer (24) danner spiralhus for turbinen, idet reverseringsinnretningen (23) munner ut i dette.

2.. Maskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at kanalen (18) er dannet av en ytre vegg (19) som forloper mellom en ytre ring (13) i ledeapparatet for turbinen og en ytre ring (15) i ledeapparatet for pumpen,, og av en, indre vegg (20) som forloper mellom en indre ring (14) i ledeapparatet for turbinen og en indre ring (16) i ledeapparatet for pumpen.

3. Maskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at reverseringsinnretningen (23) som befinner seg i det minste delvis inne i kanalen (18) er adskilt fra spiralkanalen (24) ved hjelp av skilleveggen (22).

4. Maskin som angitt i krav 1, karakterisert ved at kanalen (18) oppviser et parti med et varierende tverrsnitt og et parti med jevnt tverrsnitt.

5. Maskin som angitt i krav 4, karakterisert ved at den indre skillevegg (22) omfatter en sammenhengende vegg (25) som befinner seg i det parti av kanalen som har jevnt tverrsnitt, for dannelse av spiralkanalen (24) og for å gi den kontinuerlige tverrsnittsforandring langs kanalen som kreves for optimal drift av turbinens lopehjul (2).

6. Maskin som angitt i krav 2, karakterisert ved at den indre eller ytre vegg (20; 19) i kanalen danner en av flatene i kanalen for reverseringsinnretningen (23) og/eller en av flatene i et kanalelement som utgjor difusor.

7. Maskin som angitt i krav 2, karakterisert ved at en del av difusorene som utgjor forlengelser av ledeapparatet for pumpen (15, 16) og kanalene i reverseringsinnretningen (23) er dannet av ror (29) som helt eller delvis er innbyrdes uavhengige.