Maschinensatz mit einer Antriebsmaschine, einer Kreiselpumpe und einer gleichzeitig von einer der Förderwassermenge angenähert entsprechenden Wassermenage beaufschlagten Turbine Die Erfindung betrifft einen Maschinensatz mit einer Antriebsmaschine, einer Kreiselpumpe und einer gleich zeitig von einer der Förderwassermenge angenähert ent sprechenden Wassermenge mit dem Förderdruck ange nähert entsprechendem Druck beaufschlagten Turbine,
wobei beide hydraulischen Maschinen einflutig ausgebil det sind und oberwasserseitige Spiralen aufweisen.
Bei der Versorgung einer Wärmekraftanlage mit Kühlwasser aus einem natürlichen Gewässer wird kaltes Kühlwasser in die Anlage hinaufgepumpt, und es fliesst im wesentlichen dieselbe Menge erwärmten Kühlwassers wieder in das Gewässer hinab, wobei es bekannt ist, die Lageenergie des abströmenden Kühlwassers in einer Turbine zur Rückgewinnung eines grossen Teils der von der Pumpe verbrauchten Antriebsenergie auszunützen. Eine solche Energierückgewinnung findet auch in ande ren Fällen statt, wo eine der auf eine höhere Lage hin aufgepumpten Flüssigkeitsmenge entsprechende Flüssig keitsmenge gleicher Gattung gleichzeitig zum tieferen Punkt hinabströmt.
Der Maschinensatz für eine derartige Förderung bei gleichzeitiger Energierückgewinnung weist eine An triebsmaschine, eine Pumpe und eine Turbine auf. Sol <I>che</I> Maschinensätze bekannter Art nehmen viel Raum in Anspruch und weisen eine grosse Anzahl von Lagern, die geschmiert und allenfalls gekühlt werden müssen, sowie mehrere Wellendichtungen für die hydraulischen Maschinen und mehrere Wellenkupplungen auf, was zu hohen Erstellungs-, Betriebs- und Unterhaltskosten führt.
Die Erfindung bezweckt, diese Nachteile zu über winden. Zu diesem Zwecke wird ein M.aschinensütz der eingangs geschilderten Art erfindungsgemäss derart aus gebildet, dass die oberwasserseitig einander zugewand ten Laufräder der hydraulischen Maschinen mit einer gemeinsamen Welle einen Läufer bilden, und dass der Läufer und die oberwasserseitige Gehäusewand der einen und/oder der anderen hydraulischen Maschine zwischen den Spiralen mindestens einen Ringspalt be grenzen, über welchen Ringspalt die oberwasserseitigen Räume der hydraulischen Maschinen miteinander in Verbindung stehen.
In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ein zum Teil längs der Achse geschnittener Maschinensatz gemäss der Erfindung vereinfacht dargestellt.
Der Maschinensatz mit vertikaler Achse weist einen Elektromotor 1, eine einflutige Radialpumpe 2 mit oberwasserseitiger Spirale 3 sowie eine einflutige Radial turbine 4 mit oberwasserseitiger Spirale 5 auf. Mit 6 ist der Saugstutzen der Pumpe 2 und mit 7 der Abström- stutzen der Turbine 4 bezeichnet. Ein Betonfundament 8 trägt den Elektromotor 1 und umgibt die Blechwände der Spiralen 3, 5 sowie das Zuströmrohr 9 der Pumpe 2 und das Abströmrohr 10 der Turbine 4.
Die Welle 11 des Elektromotors 1 ist in dessen Gehäuse, in der Zeich nung nicht dargestellt, in zwei Lagern radial und in einem Lager gleichzeitig axial gelagert.
Das Laufrad 12 der Pumpe 2 und das Laufrad 13 der Turbine 4 sind einander oberwasserseitig zugewandt und bilden mit einer gemeinsamen Welle 14, auf der sie in einem Abstand voneinander angeordnet sind, einen Läufer 12, 13, 14. Die Welle 14 des Läufers 12, 13, 14 ist .durch eine Kupplung 15 mit der Welle 11 des Elek tromotors 1 verbunden.
Im ringförmigen Abströmkanal zwischen dem Laufrad 12 der Pumpe 2 und deren Spi rale 3 sind feste Leitschaufeln und zugleich Stützschau feln 16 angeordnet, und im ringförmigen Abströmkanal zwischen der Spirale 5 der Turbine 4 und deren Laufrad 13 sind feste Leitschaufeln und zugleich Stützschaufeln 17 angeordnet.
Das Laufrad 13 der Turbine 4 begrenzt in seinem oberwas.serseitigen Bereiche mit der oberwasserseitigen Gehäusewand 18 einen winkelförmigen Ringspalt 19, der in der Zeichnung übertrieben breit und vereinfacht dargestellt ist, und der nicht dargestellte Labyrinthe auf weist. Die oberwasserseitige Gehäusewand 18 ist bis zur Nabe des Laufrades 13 hin gezogen und begrenzt mit dieser einen weiteren Ringspalt 20. Das Laufrad 12 der Pumpe 2 begrenzt in seinem oberwas.serseitigen Berei- che mit der oberwasserseitigen Gehäusewand 21 einen winkelförmigen Ringspalt 22.
Die oberwasserseitige Ge häusewand 21 ist bis zur Welle 14 hin gezogen und trägt einen Lagerkörper 23, welcher eine Lagerschale 24 aus Gummi aufnimmt, in welcher .der zwischen den Laufrä dern 12 und 13 gelegene Abschnitt der Welle 14 des Läufers 12, 13, 14 radial gelagert ist, wobei die Lager schale 24 und die Welle 14 einen Lagerspalt 25 begren zen.
Die einander zugewandten oberwasserseitigen Ge häusewände 18, 21 der Turbine 4 und der Pumpe 2 sind durch ein die Welle 14 umgebendes ringförmiges Zwi schengehäuse 26 verbunden. Der durch dieses Zwi schengehäuse 26 begrenzte Raum 27 steht über den Lagerspalt 25 und über den Ringspalt 22 mit dem ober- wasserseitigen Raum der Pumpe 2 in Verbindung, und der Raum 27 steht über die Ringspalte 20, 19 mit dem oberwasserseitigen Raum der Turbine 4 in Verbindung.
Das Laufrad 12 der Pumpe 2 ist auf der Welle 14 fliegend aufgesetzt. Im Bereiche des Durchtritts der Welle 14 durch den Abströmstutzen 7 der Turbine 4 ist eine Stopfbüchse 28 angeordnet, welche nur den unter- wasserseitigen Betriebswasserdruck aufzunehmen hat. Die Abström- bzw. Zuströmstutzen der Spiralen 3, 5 welche in der Zeichnung nicht sichtbar sind, führen durch die Zeichnungsebene und liegen auf der gleichen Seite des Maschinensatzes parallel zueinander.
BeimBetrieb-desMaschinensatzes wird vonderPumpe 2 Kühlwasser aus einem natürlichen Gewässer über das Zuströmrohr 9 und den Saugstutzen 6 angesaugt und über den Stutzen der Spirale 3 in die Wärmekraftanlage hinaufgepumpt. Das die Wärmekraftanlage verlassende, erwärmte Kühlwasser strömt in angenähert gleicher Menge über den Zuströmstutzen der Spirale 5 in die Turbine 4 und verlässt diese über den Abströmstutzen 7 und das Abströmrohr 10. Dabei wird in der Turbine 4 ein grosser Teil der von der Pumpe 2 verbrauchten An triebsenergie zurückgewonnen.
Der oberwasserseitige Betriebswasserdruck ist in der Pumpe 2 etwas höher als in der Turbine 4, und es strömt daher ständig eine ge ringe Menge von Betriebswasser aus dem oberwasser- seitigen Raum der Pumpe 2 über den Ringspalt 22 und den Lagerspalt 25 in den zwischen den hydraulischen Maschinen gelegenen Raum 27 und von diesem über die Ringspalte 20, 19 in den oberwasserseitigen Raum der Turbine 4, und beim Durchströmen des Lagerspaltes 25 schmiert und kühlt das Betriebswasser das Lager 23, 24 der Welle 14.
Der engste der Ringspalte 22, 25, 20, 19 ist der Lagerspalt 25, und von seinem Durchtrittsquer- schnitt hängt die über den Raum 27 von der Pumpe zur Turbine strömende Wassermenge ab. Diese Wasser menge wird zweckmässigerweise nicht höher festgelegt, als zur Schmierung und Kühlung des Lagers 23, 24 nötig ist. Wenn auch der Druck des durch den Raum 27 strö menden Wassers dem Oberwasser der Turbine 4 erhal ten bleibt, ist mit Rücksicht auf einen guten Wirkungs grad der Lagerspalt 25 so eng wie möglich zu halten.
Dieselbe Forderung ergibt sich allenfalls auch aus der Notwendigkeit, die Pumpe bei von Kühlwasser entleer ter Wärmekraftanlage so lange allein arbeiten zu lassen, bis das die Wärmekraftanlage verlassende Kühlwasser auch die Turbine 4 beaufschlägt.
Die Ringspalten 22, 20, 19 sind in bekannter Weise vornehmlich nach den Gesichtspunkten der Bearbeitung, des Zusammenbaues und einer tunlichsten Verhinde rung von Auswaschung durch rotierendes Betriebswas ser ausgebildet. Das Ziehen der einander zugewandten oberwasserseitigen Gehäusewände 18, 21 gegen die Nabe des Laufrades 13 bzw. den Lagerkörper 23 hin verhindert, dass sich im Raum 27 ein grösserer rotieren der Wasserring bildet, der Kraft verzehren und Gehäu sewandungen auswaschen würde.
Der dargestellte Maschinensatz kommt mit insge samt nur drei Lagern, nämlich den beiden Lagern des Elektromotors 1 und dem durch Betriebswasser ge schmierten Lager 23, 24 sowie mit einer einzigen Dich tung, nämlich der Stopfbüchse 28 auf der Niederdruck seite der Turbine 4 aus. Durch die Anordnung der Spi ralen 3, 5 der hydraulischen Maschinen 2, 4 in der Weise zueinander, dass die Ab- bzw. Zuströmstutzen der Spiralen 3, 5 auf der gleichen Seite des Maschinensatzes parallel zueinander liegen, lässt sich die axiale Abmes sung des Zwischengehäuses 26 und damit des Maschi nensatzes gering halten.
Da die einander zugewandten oberwasserseitigen Gehäusewände 18, 21 beidseitig Be triebswasser angenähert gleichen Druckes ausgesetzt sind, lassen sie sich sehr leicht ausführen, und das Zwi schengehäuse 26 nimmt dank seiner kreisrunden Form alle auftretenden Kräfte gut auf.
Es wäre auch möglich, die Wand des Zwischenge häuses 26 mit Öffnungen zu versehen, so dass der vom Zwischengehäuse 26 innen und von der ringförmigen Wand 29, welche die einander zugewandten Stützschau- felringe 30 der beiden hydraulischen Maschinen mitein- ander verbindet, aussen begrenzte Raum 31 von Be triebswasser angefüllt wäre.
Anstelle der festen Leitapparate 16, 17 könnten selbstverständlich auch verstellbare Leitapparate vorge sehen werden. Anstelle der beschriebenen hydraulischen Radialmaschinen 2, 4 können irgendwelche hydrauli sche Maschinen mit Abström- bzw. Zuströmspiralen Verwendung finden; es lassen sich also auch Halbradial maschinen, Kaplan- oder Propellermaschinen verwen den, je nach Förderhöhe und Wassermenge.
Die Lagerschale 24 kann auch aus irgendeinem an deren Material bestehen, beispielsweise aus Kunststoff oder aus Holz. Die Lagsrschale kann auch aus Weiss- metall bestehen, und in diesem Falle muss eine Vorrich tung für eine zusätzliche Schmierung mit Fett vorgese hen werden.
Bei wassergeschmierten Lagern mit Lagerschalen aus nichtmetallischem Material ist es üblich, die innere Fläche der Lagerschale mit Feldern und Zügen zu ver sehen oder Lagerschalensegmente unter Einhaltung von Abständen zueinander in Umfangrichtung im Lagerkör per anzuordnen.
In diesen Fällen ergeben sich ringsek- torförmige Spalte zwischen der Welle und den Zügen der Lagerschale bzw. dem Lagerkörper von beträchtli chem Querschnitt, so dass zur Festlegung der gewünsch ten Wassermenge, welche das Lager axial durchströmt, mindestens an einem axialen Ende des Lagers ein mit der Welle einen Drosselspalt begrenzender Blendenring vorzusehen ist.
Bei stark verschmutztem Betriebswasser kann es zweckmässig oder notwendig sein, das Lager 23, 24 mit einer Vorrichtung zum Einbringen von sauberem Sperr wasser in :den Lagerspalt 25 zu versehen. Wird Sperr wasser von etwas höherem Druck als dem des Oberwas sers der Pump.- in .den Lagerspalt 25 geleitet, dann wird das Lager durch das Sperrwasser geschmiert und ge kühlt. Ist das Betriebswasser, etwa durch die Jahreszeit bedingt, vorübergehend verhältnismässig sauber, kann die Zufuhr von Sp.-rrwasser unterbleiben, und das Lager wird in. diesem Fall von Betriebswasser geschmiert und gekühlt.
Auch die Stopfbüchsie 28 kann in bekannter Weise durch Sperrwasserzufuhr vor einem Eindringen von im Betriebswasser enthaltenem Schmutz geschützt werden.
Es ist auch möglich, die Laufräder von zwei Radial maschinen aneinander anliegend anzuordnen und die die Spiralen begrenzenden Wände im Bereiche der einander benachbarten oberwasserseitigen Mantelflächen der Laufräder als einen gemeinsamen Ring auszubilden, welcher mindestens einen Ringspalt begrenzt. In diesem Falle entfällt das einen Ringspalt begrenzende betriebs- wassergeschmierte Lager, und es muss auf der einen oder der anderen Seite der aneinanderliegenden Laufrä der ein anderes Wellenlager vorgesehen werden.