DE69413663T2

DE69413663T2 - Turbopumpe und Zufuhrsystem mit einer Pumpe

Info

Publication number: DE69413663T2
Application number: DE69413663T
Authority: DE
Inventors: Chugen C/O Pacific Machinery & Engineering Narashino-Shi Chiba 275 Chin; Tetsuo C/O Pacific Machinery & Engineer Narashino-Shi Chiba 275 Fukazawa
Original assignee: Pacific Machinery and Engineering Co Ltd
Current assignee: Pacific Machinery and Engineering Co Ltd
Priority date: 1993-12-24
Filing date: 1994-12-23
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2014-12-24
Also published as: DE69413663D1; EP0661425B1; EP0661425A1; US5558502A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbopumpe, bei der ein Pumpenlaufrad durch die Rotation eines Turbinenrades gedreht wird, und insbesondere eine Turbopumpe, in der Fluid umfassend Flüssigkeit, Gas oder eine Zwischenstufe wie eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas als Arbeitsfluid eines Turbinenrades verwendet werden kann, und in der Fluid umfassend Flüssigkeit, Gas oder eine Zwischenstufe wie eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas als Trägerfluid eines Pumpenlaufrades wie das Arbeitsfluid des Turbinenrades verwendet werden kann.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Fluidzufuhrsystem unter Verwendung einer Turbopumpe, die intensiv ein Zufuhrmanagement ausführt, indem Flüssigkeit zum Lagern in einen Tank gepumpt wird, worin die Turbopumpe, die in einer in einem Flüssigkeitslagerplatz, wie einem tiefen Schacht oder dergleichen gelagerten Flüssigkeit angeordnet ist, die Flüssigkeit aus dem Tank in die Versorgungsleitung schickt.
Nach herkömmlicher Art ist ein Turbolader, der zur Verwendung von Gas als Fluid konstruiert ist, als Turbopumpe bekannt. Solche Turbolader wurden mit der Entwicklung von Turbojetmotoren für Flugzeuge entwickelt. Heute werden viele davon als Turbolader für Kraftstofffluidzufuhrsysteme für Fahrzeuge verwendet.
Ein als japanisches Gebrauchsmuster Nr. H4(1992)-15956 offenbarter Turbolader ist eine typische Art von Turbolader nach herkömmlicher Konstruktion. Wie Fig. 15 zeigt, umfaßt der Turbolader 70 ein Kompressorlaufrad 72, das drehbar in einem Kompressorgehäuse 71 angeordnet ist und ein Turbinenrad 75, das an einer Rotorwelle 73 des Kompressorlaufrades 72 befestigt und drehbar in einem Turbinengehäuse 74 angeordnet ist. Das Turbinenrad 75 wird durch Abgas eines Motors (nicht gezeigt) gedreht, das von einem Spiralteil 76 eingeführt wird, und dann wird das Kompressorlaufrad 72 von der Rotation des Turbinenrades 75 durch die Rotorwelle 73 gedreht. Durch die Rotation des Kompressorlaufrades 72 wird Luft durch einen Einlaß 77 des Kompressorgehäuses 71 eingesaugt und durch einen Spiralteil 78 des Kompressorgehäuses 71 zum Motor geführt. Das Abgas des Motors wird aus einem Auslaß 79 des Turbinengehäuses 74 abgeführt, nachdem es das Turbinenrad 75 gedreht hat.
Dadurch ist es möglich, die Leistung des Motors zu steigern und die Geschwindigkeit des Motors zu erhöhen.
Es ist übrigens bei der Turbopumpe, allgemein wie der Turbolader oder dergleichen, unmöglich den Wirkungsgrad des Systems zu verbessern, wenn nicht die Geschwindigkeit erhöht wird, so daß es keinen Sinn macht, die Turbopumpe in das System einzuführen. Bei der herkömmlichen Turbopumpe, wie dem oben beschriebenen Turbolader, treten keine besonderen Schwierigkeiten auf, die durch die hohe Geschwindigkeit bedingt sind, wenn das verwendete Fluid Gas ist. Wenn das verwendete Fluid Gas ist, ist es daher relativ leicht, die Geschwindigkeit der Turbopumpe zu erhöhen, so daß in der Vergangenheit verschiedene Turbopumpen entwickelt wurden.
In den letzten Jahren zeigte sich ein großer Bedarf, Flüssigkeit oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas zu fördern. Es ist daher eine Turbopumpe nötig, die Flüssigkeit oder eine Zwischenstufe fördern kann.
In dem Fall, wo eine Flüssigkeit als Fluid für die Turbopumpe verwendet wird, anders als wenn ein Gas als Fluid verwendet wird, kann jedoch leicht Kavitation auftreten, die eine be sondere Erscheinung bei Flüssigkeit ist, wenn die Turbopumpe beschleunigt wird. Bei der Turbopumpe, in der Flüssigkeit verwendet wird, ist es wegen der Kavitation nicht einfach, die Geschwindigkeiten der Turbine und der Pumpe zu erhöhen.
Die ungeprüft veröffentlichte japanische Patentanmeldung Nr. S51(1976)-91003 schlägt als Turbopumpe eine Tiefschachtpumpe vor, in der Flüssigkeit als Arbeitsfluid für die Turbine verwendet ist, die zum Herauspumpen von Hochtemperatursalzlösung, deren Temperatur zwischen 177ºC und 331ºC liegt, aus einer geothermischen Quelle mit einer Tiefe von 1500 bis ungefähr 3000 m unter der Erdoberfläche vorgesehen ist.
Da die Tiefschachtpumpe für einen speziellen Zweck des Heraufpumpens von Hochtemperatursalzlösung aus einer ziemlich tiefen Stelle verwendet wird, 1500 bis 3000 m unter der Erdoberfläche, weist eine Turbine der Tiefschachtpumpe eine abgestufte Struktur auf, um die Leistung der Pumpe zu steigern.
Durch Ausbilden einer abgestuften Turbinenstruktur wie oben erwähnt, wird die Struktur jedoch komplex und das System wird groß, was ferner die Kosten erhöht. Außerdem ist es in dieser Situation schwierig, die Umdrehung der Pumpe auf eine hohe Geschwindigkeit zu stellen. Selbst wenn die Umdrehung auf eine etwas höhere Geschwindigkeit gestellt wird, tritt die Kavitation auf, die eine besondere Erscheinung bei Flüssigkeit ist.
Folglich wird derzeit keine gewöhnliche Turbopumpe, in der Flüssigkeit oder eine Zwischenstufe verwendet wird, und die eine einfache Struktur aufweist und eine geringen Preis hat, praktisch eingesetzt.
Dagegen ist in Fig. 16 ein Fluidzufuhrsystem gezeigt als Fluidzufuhrsystem, in dem eine in Flüssigkeit angeordnete Flüssigkeitspumpe verwendet ist. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen 50 das Fluidzufuhrsystem, das Bezugszeichen 51 bezeichnet einen tiefen Schacht, das Bezugszeichen 52 bezeichnet eine Stufenpumpe, das Bezugszeichen 53 bezeichnet einen Elektromotor, das Bezugszeichen 54 bezeichnet ein Steigrohr, das Bezugszeichen 55 bezeichnet ein Rückschlagventil, das Bezugszeichen 56 bezeichnet einen Absperrschieber, das Bezugszeichen 57 bezeichnet einen Drucktank, das Bezugszeichen 58 bezeichnet eine Rohrleitung zu einer Versorgungsleitung, das Bezugszeichen 59 bezeichnet einen Druckschalter, das Bezugszeichen 60 bezeichnet eine Kontrollkonsole, das Bezugszeichen 61 bezeichnet ein Kabel zum Verbinden des Druckschalters 59 und der Kontrollkonsole 60, das Bezugszeichen 62 bezeichnet ein Kabel zum Verbinden des Elektromotors 53 und der Kontrollkonsole 60, das Bezugszeichen 63 bezeichnet einen Kopftank, das Bezugszeichen 64 bezeichnet eine Rohrleitung zur Versorgungsleitung, das Bezugszeichen 65 bezeichnet ein Wasserstandsmeßgerät und das Bezugszeichen 66 bezeichnet ein Kabel zum Verbinden des Wasserstandsmeßgeräts 65 und der Kontrollkonsole 60.
Wie in Fig. 16 gezeigt ist, ist im Fluidzufuhrsystem 50 die Stufenpumpe 52 unter Wasser in einem tiefen Schacht 51 angeordnet und die Stufenpumpe 52 ist so konstruiert, daß sie eine tauchfähige Motorpumpe ist, die durch den Elektromotor 53 angetrieben wird. Von der Stufenpumpe 52 angesaugtes Wasser wird durch das Steigrohr 54 zum Drucktank 57 transportiert und im Drucktank 57 gespeichert. Das im Drucktank 57 gespeicherte Wasser wird durch die Rohrleitung 58 zur Versorgungsleitung transportiert und wird von jedem Versorgungsteil der Versorgungsleitung zugeführt. In diesem Fall wird der Innendruck des Drucktanks 57 auf einer bestimmten Höhe gehalten und die tauchfähige Stufenpumpe wird durch den Druck betrieben. Wenn das Wasser im Drucktank 57 durch die Zufuhr des Wassers in die Versorgungsleitung abnimmt, wird der Innen druck des Drucktanks 57 reduziert. Wenn der Innendruck des Drucktanks 57 unter den bestimmten Wert reduziert ist, stellt der Druckschalter 59 diesen Zustand fest, dann wird er tätig, um ein Druckreduktionsnachweissignal an die Kontrollkonsole 60 abzugeben. Die Kontrollkonsole 60 empfängt dieses Signal und sendet durch das Kabel 62 ein Antriebssignal an den Elektromotor 53, so daß der Elektromotor 53 und die Stufenpumpe 52 angetrieben werden. Dadurch saugt die Stufenpumpe 52 Wasser in den tiefen Schacht 51, um durch das Steigrohr 54 das Wasser in den Drucktank 57 zu fördern und zu speichern. Wenn das Wasser in den Drucktank 57 gefördert wird, steigt der Innendruck des Drucktanks 57. Wenn der Innendruck des Drucktanks 57 auf die bestimmte Höhe erhöht ist, gibt der Druckschalter 59 das Druckreduktionsnachweissginal nicht länger an die Kontrollkonsole 60 ab und die Kontrollkonsole 60 stoppt dann den Betrieb des Elektromotors 53 und der Stufenpumpe 52. Daher wird die Wasserzufuhr zum Drucktank 57 gestoppt, so daß der Innendruck des Drucktanks 57 auf der bestimmten Höhe gehalten werden kann. Auf diese Weise wird das intensive Versorgungsmanagement durchgeführt, das Wasser zu einer Vielzahl von Versorgungsteilen aus einem tiefen Schacht 51 zuführt.
Anstelle des Drucktanks 57 kann der Kopftank 63 in einer höheren Position als die Versorgungsleitung angeordnet sein, um Wasser durch das Steigrohr 54 auf einem bestimmten Wasserspiegel im Kopftank 63 zu speichern und dann das Wasser zu der Versorgungsleitung aus dem Kopftank 63 durch die Rohrleitung 64 zuzuführen. In diesem Fall wird die Stufenpumpe durch die Kontrollkonsole 60 gemäß einem Wasserspiegelabnahmesignal vom im Kopftank 63 angeordneten Wasserstandsmeßgerät 65 geregelt.
In dem Fluidzufuhrsystem 50, in dem die herkömmliche tauchfähige Motorpumpe verwendet ist, sind jedoch der Elektromotor 53 der Stufenpumpe 52 und ein Teil des Kabels 62 zur Vermittlung des Antriebsregelungssignals von der Kontrollkonsole 60 zur Stufenpumpe 52 im Wasser angeordnet. Daher ist es nötig, den Elektromotor 53, das Kabel 62 und den Verbindungsteil zwischen dem Kabel 62 und dem Elektromotor 53 sorgfältig gegen Wasser zu schützen. Da ferner die Stufenpumpe 52 relativ groß ist, ist es mühsam und nicht einfach, die Stufenpumpe 52 in dem langen und engen tiefen Schacht 51 im Wasser anzuordnen, was nicht nur viele Mannstunden zum Installieren erfordert, sondern auch die Wartung ziemlich aufwendig macht. Da es außerdem nötig ist, den Elektromotor 53 und das Kabel 62 in wasserdichter Konstruktion auszubilden, ist es kostspielig.
Mit Schaufeln eines Laufrads wie bei einer herkömmlichen Stufenpumpe tritt außerdem, wenn das Laufrad beim Betrieb der Pumpe beschleunigt wird, Kavitation auf, so daß die Umdrehung des Laufrades nicht hoch sein kann.
EP-0 511 594 A1 zeigt eine Wasserpumpe zum Umwälzen von Kühlmedium im Kühlsystem eines Motors. Diese Wasserpumpe ist mit einem Laufrad versehen, das eine spezifische Konstruktion von Verstärkung und Schaufel aufweist, so daß Kavitation vermieden wird und die Pumpenleistung verbessert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbopumpe zur Verfügung zu stellen, die eine höhere Betriebsgeschwindigkeit ermöglicht, wenn das verwendete Fluid Flüssigkeit oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas ist, nicht zu vergessen Gas, und die leicht konstruiert und zu einem niedrigen Preis angeboten werden kann.
Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Fluidzufuhrsystem mit Turbopumpe zur Verfügung zu stellen, das eine Turbopumpe verwendet, bei der keine wasserdichte Struktur nötig ist und die kleiner ausgebildet sein kann und die eine leichte Konstruktion und leichte Wartung ermöglicht, ferner zu niedrigen Kosten konstruiert werden kann.
Zum Erreichen der obigen Ziele stellt die vorliegende Erfindung eine Turbopumpe zur Verfügung umfassend ein drehbar in einem Pumpengehäuse angeordnete Pumpenlaufrad, um durch Rotation Förderfluid zu fördern, das entweder Flüssigkeit, Gas oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas ist, ein drehbar in einen Turbinengehäuse koaxial zum Pumpenlaufrad angeordnetes Turbinenrad und das vom Arbeitsfluid gedreht wird, das entweder Flüssigkeit, Gas oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas ist, wobei das Pumpenlaufrad durch die Rotation des Turbinenrades gedreht wird, worin das Pumpenlaufrad eine Verstärkung umfaßt kontinuierlich ausgebildet mit einer Nabe, in die eine Rotorwelle paßt und Schaufeln, die jeweils einen Schaufeleintritt aufweisen, wobei die Verstärkung eine konkav gewölbte Rotationsfläche aufweist, die in einer Meridianebenenkonfiguration ausgebildet ist und eine Nabenverstärkung ausgebildet in einer zylindrischen Konfiguration im wesentlichen parallel zur Rotorwelle, wobei eine Kante des Schaufeleintritts an der Nabenverstärkung befestigt ist, so daß sie sanft kontinuierlich von einer Fläche der Nabenverstärkung zur oberen Seite liegt und großenteils nach oben hervorsteht, wobei die Kante des Schaufeleintritts einen an der zylindrischen Nabenverstärkung befestigten Teil und einen Teil nahe des Pumpengehäuses aufweist, wobei sich der Teil nahe dem Pumpengehäuse im wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle erstreckt, wobei der an der Nabenverstärkung befestigte Teil und der Teil nahe dem Pumpengehäuse dazwischen durch eine leichte bogenartige Wöl bung verbunden sind, die sich konvex nach oben erstreckt, so daß dadurch die Kante des Schaufeleintritts gebildet wird, wobei ein Winkel des Schaufeleintritts am Teil der Kante nahe der Nabenverstärkung auf einen Winkel von im wesentlichen 0º gesetzt ist und kontinuierlich von dem Teil der Kante nahe der Nabenverstärkung zum Teil der Kante nahe dem Gehäuse zunimmt, wobei der Winkel des Schaufeleintritts zwischen dem Teil nahe der Nabenverstärkung und dem Teil nahe dem Gehäuse sich sanft verändert, um dadurch den Schaufeleintritt auszubilden, und der Schaufeleintritt mit dem Ende des Schaufelaustritts in einer sanft gewölbten Fläche verbunden ist, so daß dadurch jede der Schaufeln ausgebildet ist; und das Turbinenrad umfaßt eine Verstärkung kontinuierlich ausgebildet mit einer Nabe, in die eine Rotorwelle paßt und Schaufeln, die jeweils einen Schaufelaustritt aufweisen, wobei die Verstärkung eine konkav gewölbte Rotationsfläche aufweist, die in einer Meridianebenenkonfiguration ausgebildet ist, und eine Nabenverstärkung ausgebildet in einer zylindrischen Konfiguration im wesentlichen parallel zur Rotorwelle, wobei eine Kante des Schaufelaustritts an der Nabenverstärkung befestigt ist, so daß sie sanft kontinuierlich von einer Fläche der Nabenverstärkung zur unteren Seite liegt und großenteils nach unten hervorsteht, wobei die Kante des Schaufelaustritts einen an der zylindrischen Nabenverstärkung befestigten Teil und einen Teil nahe dem Turbinengehäuse aufweist, wobei der Teil nahe dem Turbinengehäuse sich im wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle erstreckt, wobei der an der zylindrischen Nabenverstärkung befestigte Teil und der Teil nahe dem Turbinengehäuse dazwischen durch eine leichte bogenartige Wölbung verbunden ist, die konvex nach unten sich erstreckt und dadurch die Kante des Schaufelaustritts bildet, wobei ein Winkel des Schaufelaustritts am Teil der Kante nahe der Nabenverstärkung auf einen Winkel von im wesentlichen 0º gesetzt ist und vom Teil der der Kante nahe der Nabenverstärkung zum Teil der Kante nahe dem Gehäuse kontinuierlich zu nimmt, wobei der Winkel des Schaufelaustritts sich zwischen dem Teil nahe der Nabenverstärkung und dem Teil nahe dem Gehäuse leicht verändert, um dadurch den Schaufelaustritt zu bilden und der Schaufelaustritt ist mit dem Ende des Schaufeleintritts mit einer leicht gewölbten Oberfläche verbunden, um dadurch jede der Schaufeln auszubilden.
Bevorzugt ist die Turbopumpe gemäß der Erfindung ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel des Schaufeleintritts des Pumpenlaufrads im wesentlichen auf einen Winkel gesetzt ist, der allgemein nach herkömmlichen Konstruktionstechniken an dem Teil der Kante nahe dem Pumpengehäuse berechnet ist, der Winkel des Schaufelaustritts des Turbinenrades im wesentlichen auf einen Winkel eingestellt ist, der allgemein durch die herkömmlichen Konstruktionstechniken an dem Teil der Kante nahe dem Turbinengehäuse berechnet ist.
Ferner ist die Turbopumpe gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Profil des Schaufeleintritts des Pumpenlaufrads und das Profil des Schaufelaustritts des Turbinenrades immer konstant gehalten sind, ungeachtet der Kombination der jeweiligen spezifischen Geschwindigkeiten.
Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Fluidzufuhrsystem zur Verfügung, das die Turbopumpe verwendet, wobei sie die Turbopumpe in Fluid in einem Fluidspeicherort wie einem Schacht zum Ansaugen und Ausgeben des Fluids installiert umfaßt und ein Pumpenlaufrad und ein Turbinenrad, Arbeitsfluidzufuhrpumpenantriebsmittel zum Antreiben der Turbopumpe, einen Tank zum Speichern des aus der Turbopumpe abgegebenen Fluids, eine Zufuhrleitung zum Aufnehmen des Fluids aus dem Tank und Zuführen des Fluids zu jedem Zufuhrteil, Arbeitsfluidzufuhrpumpensteuermittel zum Steuern des Fluidzufuhrpumpenantriebsmittels aufweist, wobei das Turbinenrad das Pum penlaufrad durch eine Rotorwelle zum Antreiben des Pumpenlaufrads verbindet und die Arbeitsfluidzufuhrpumpe einen Teil des Fluids im Tank als Arbeitsfluid zum Antreiben des Turbinenrades zuführt, ein Teil des von der Turbopumpe abgegebenen Fluids wird von der Arbeitsfluidzufuhrpumpe unter Druck gesetzt und das Druckfluid treibt auch die Turbopumpe selbst an.
Das Fluidzufuhrsystem nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ferner dadurch gekennzeichnet, daß der Tank eine Trennwand aufweist, die seine Innenseite teilt in einer erste Kammer, die mit dem Auslaß der Turbopumpe verbindet, und mit der Arbeitsfluidzufuhrpumpe verbunden ist und eine zweite Kammer, die mit der Zufuhrleitung verbunden ist, wobei die Trennwand Flüssigkeitsspiegelregelungsmittel darstellt, die zum Lagern der Flüssigkeit mit einem ersten bestimmten Flüssigkeitsspiegel in der ersten Kammer vorgesehen sind, und zum Regeln des Flüssigkeitsspiegels in der ersten Kammer zum Einführen der überlaufenden Flüssigkeit in die zweite Kammer, wenn die Flüssigkeit in der ersten Kammer über dem ersten bestimmten Flüssigkeitspiegel in der ersten Kammer ist.
Ferner ist das Fluidzufuhrsystem nach einer bevorzugten Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpensteuerungsmittel die Arbeitsweise der Arbeitsfluidzufuhrpumpe gemäß dem Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Kammer oder dem Innendruck des Tanks regeln, um die Flüssigkeit in der zweiten Kammer auf einem bestimmten zweiten Flüssigkeitsspiegel zu halten oder um den Innendruck des Tanks auf einer bestimmten Höhe zu halten.
Außerdem umfaßt das Fluidzufuhrsystem bevorzugt eine Förderfluidsaugrohrleitung mit einem Absperrventil, das mit einem Einlaß der Turbopumpe verbunden ist, durch das das von der Turbopumpe aus dem Fluidspeicherort gesaugte Fluid durchläuft, wobei das Absperrventil vorgesehen ist, um die Strömung des Fluids zum Einlaß der Turbopumpe zu ermöglichen, und um zu verhindern, daß das Fluid in die entgegengesetzte Richtung fließt, und einen Weg zum Einführen des Arbeitsfluids nach Antreiben des Turbinenrades in die Förderfluidsaugrohrleitung zwischen einem Einlaß der Turbopumpe und dem Absperrventil, worin das Arbeitsfluid nach Betreiben des Turbinenrades von der Turbopumpe zusammen mit dem Fluid in den Fluidspeicherort eingesaugt wird.
Ferner ist im Fluidzufuhrsystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Tank ein Kopftank, der in einer höheren Position als die Zufuhrleitung installiert ist, um zu steuern, daß der Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Kammer auf einem zweiten bestimmten Flüssigkeitsspiegel bleibt.
Bei der erfindungsgemäß wie oben strukturierte Turbopumpe ist der Winkel des Schaufelaustritts des Turbinenrades im Teil der Auslaßkante nahe der Nabenverstärkung auf einen Winkel von im wesentlichen 0º gesetzt, so daß der Fluß des Arbeitsfluids der Nabenverstärkung wirksam aus den Schaufeln geleitet werden kann, wodurch die gleichmäßige konstante Strömung des Arbeitsfluids in dem Teil des Schaufelaustritts, nahe der Nabenverstärkung, ermöglicht ist. Dadurch kann das Arbeitsfluid entlang der ganzen Schaufeln der Schaufelaustritte ohne Widerstand strömen. Der Teil nahe der Nabenverstärkung erstreckt sich großenteils nach unten, der Teil nahe dem Gehäuse ist im wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle ausgebildet und die beiden Teile sind dazwischen durch eine sanfte bogenartige Wölbung verbunden, die sich konvex nach unten erstreckt, wodurch ein breiterer Bereich entsteht, den das Arbeitsfluid an den Schaufelaustritten strömt. Dadurch kann das Arbeitsfluid an den Schaufelaustritten effektiv strömen.
Damit sind Kavitationscharakteristiken und die Turbineneffizienz der Turbine verbessert.
Andererseits ist der Winkel des Schaufeleintritts des Pumpenlaufrads am Teil der Einlaufkante nahe der Nabenverstärkung auf einen Winkel von im wesentlichen 0º eingestellt, so daß die Strömung des Trägerfluids der Nabenverstärkung effektiv zwischen den Schaufeln geführt werden kann, wodurch eine gleichmäßige Strömung des geförderten Fluids an dem Teil nahe der Nabenverstärkung des Schaufeleintritts ermöglicht ist. Daher kann das geförderte Fluid entlang der gesamten Schaufeln der Schaufeleintritte ohne Widerstand strömen. Der Teil nahe der Nebenverstärkung erstreckt sich großenteils nach oben, der Teil nahe dem Gehäuse ist im wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle ausgebildet und die beiden Teile sind dazwischen durch die sanfte bogenförmige Kurve verbunden, die sich konvex nach oben erstreckt, wodurch ein breiterer Bereich entsteht, den das Arbeitsfluid an den Schaufeleintritten strömt. Dadurch kann das geförderte Arbeitsfluid an den Schaufeleintritten effektiv strömen. Damit sind Kavitationscharakteristiken und die Pumpeneffizienz der Pumpe verbessert. Da die Turbinencharakteristiken des Turbinenrades, die Pumpencharakteristiken des Pumpenlaufrads und die Kavitationscharakteristiken sowohl des Turbinenrades und des Pumpenlaufrades auf diese Weise verbessert werden, werden die Pumpencharakteristiken und die Kavitationscharakteristiken der erfindungsgemäßen Turbopumpe in starkem Maße verbessert.
Die erfindungsgemäße Pumpe kann ferner effizient eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit fördern, um gewünschte Strömungsgeschwindigkeit sicherzustellen, wenn die Pumpe klein konstruiert ist, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb und geringe Größe der Turbopumpe ermöglicht ist. In diesem Fall ermöglicht die Pumpe durch Verbesserung der Kavitationscharakteristiken weiteren Hochgeschwindigkeitsbetrieb, selbst wenn das Arbeitsfluid oder das geförderte Fluid flüssig ist oder eine Zwischenstufe, die eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas, nicht zu vergessen Gas umfaßt.
In Fluidzufuhrsystem, das die erfindungsgemäße Turbopumpe verwendet, wird die Turbopumpe durch die Flüssigkeit im Flüssigkeitsspeicherort angetrieben, die dann angehoben wird, so daß die Turbopumpe von der angehobenen Flüssigkeit weitergetrieben wird. Daher ist es nicht nötig, nicht nur Spezialfluid als Arbeitsfluid zum Drehen des Turbinenrades der Turbopumpe zu verwenden, sondern auch ein Vermischen des Arbeitsfluids für das Turbinenrad und des geförderten Fluids für das Pumpenlaufrad zu vermeiden. Dadurch braucht die Turbopumpe keine Dichtung wie eine Wellendichtung oder dergleichen, um die wasserdichte Struktur der Turbopumpe einfach zu machen, so daß die Produktionskosten reduziert werden können. Wegen der einfachen wasserdichten Struktur ist die Wartung der Turbopumpe ganz einfach.
Ferner besitzt die Turbopumpe keinen Elektromotor und kein Kabel zur Zufuhr von elektrischem Strom zum Elektromotor, so daß die Turbopumpe leicht ohne Schwierigkeiten installiert werden kann, wobei sie in Flüssigkeit installiert werden kann, beispielsweise in den langen und engen tiefen Flüssigkeitslagerplatz.
Außerdem ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung der Tank geteilt in die erste Kammer, in der die zur Turbopumpe zuzuführende Flüssigkeit gelagert ist und die zweite Kammer, in der die zur Zufuhrleitung zuzuführende Flüssigkeit gelagert ist. Dadurch ist selbst wenn keine Flüssigkeit in der zweiten Kammer vorhanden ist, die Flüssigkeit in der ersten Kammer gesichert, wodurch die Turbopumpe leicht und sicher betrieben wird.
Ferner wird die Arbeitsfluidzufuhrpumpe gemäß dem Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Kammer des Tanks oder des Innendrucks des Tanks gesteuert, so daß eine bestimmte Menge an Fluid in der zweiten Kammer des Tanks gelagert werden kann.
Da außerdem die Flüssigkeit sanft an das Turbinenrad und das Pumpenlaufrad strömt, selbst wenn die Pumpe mit hoher Geschwindigkeit rotiert, kann eine Kavitation nur schwer auftreten, so daß die Turbopumpe leicht für einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und kleinere Größe ausgelegt werden kann.
Noch andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind teilweise offensichtlich und werden teilweise aus der Beschreibung ersichtlich.
Die Erfindung umfaßt dementsprechend die Merkmale der Konstruktion, Kombination von Elementen und Anordnung von Teilen, die in der nachfolgend angegebenen Konstruktion beispielshaft ausgeführt werden und der Rahmen der Erfindung wird durch die Ansprüche vorgegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 stellt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbopumpe dar,
Fig. 2 stellt eine Ansicht eines Turbinenrades der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Richtung des Pfeils X in Fig. 1 dar,
Fig. 3 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie A-O-E von Fig. 2 dar,
Fig. 4 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie B-O von Fig. 2 dar,
Fig. 5 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie C-O von Fig. 2 dar,
Fig. 6 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie D-O von Fig. 2 dar,
Fig. 7 stellt einen Graphen zur Erläuterung einer Form eines Schaufelaustritts des Turbinenrades der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dar,
Fig. 8 stellt eine Ansicht des Pumpenlaufrades der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform entlang der Richtung des Pfeils Y in Fig. 1 dar,
Fig. 9 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie A-O-E von Fig. 8 dar,
Fig. 10 stellt einen Graphen zur Erläuterung einer Form eines Schaufeleintritts des Pumpenlaufrades der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dar,
Fig. 11 stellt ein Schaubild von Testergebnissen bezüglich der Förderhöhe einer Pumpe und der Effizienz der erfindungsgemäßen Turbopumpe dar,
Fig. 12 stellt eine Ansicht einer Ausführungsform eines Fluidzufuhrsystems unter Verwendung der erfindungsgemäßen Turbopumpe dar,
Fig. 13 stellt eine vergrößerte Ansicht eines Teils im Wassers der in Fig. 12 gezeigten Turbopumpe dar,
Fig. 14 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie XIV- XIV von Fig. 13 dar,
Fig. 15 stellt eine Schnittansicht eines Beispiels eines herkömmlichen Turboladers dar, und
Fig. 16 stellt eine Ansicht eines Beispiels eines Fluidzufuhrsystems unter Verwendung einer herkömmlichen tauchbaren Motorpumpe dar.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Nachfolgend wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 stellt eine Schnittansicht einer Ausführungsform einer Turbopumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
Wie in Fig. 1 gezeigt ist, umfaßt eine Turbopumpe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Turbinenrad 3, das drehbar in einem Turbinenhauptgehäuse 2 angeordnet ist, ein Pumpenlaufrad 5, das drehbar in einem Pumpenhauptgehäuse 4 angeordnet ist und eine Rotorwelle 6, die drehbar an einem Grenzteil zwischen dem Turbinenhauptgehäuse 2 und dem Pumpenhauptgehäuse 4 gestützt ist, worin das Turbinenrad 3 an einem Ende der Rotorwelle 6 befestigt ist und das Pumpenlaufrad 5 an dem anderen Ende der Rotorwelle 6 befestigt ist. In Fig. 1 sind das Turbinenhauptgehäuse 2 und das Pumpenhauptgehäuse 4 integral ausgebildet. Diese Gehäuse können jedoch separat ausgebildet sein. Aus Bequemlichkeit werden das Turbinenhauptgehäuse bzw. das Pumpenhauptgehäuse mit unterschiedlichen Bezugszeichen beschrieben.
Das Turbinenhauptgehäuse 2 ist mit einem Turbineneintrittweg 7 versehen, der in einer Spiralform ausgebildet ist und so angeordnet ist, daß er mit Schaufeleintritt 3a des Turbinenrades 3 kommuniziert, durch die Arbeitsfluid wie Wasser, Öl, Gas oder eine zweiphasige Fluidmischung davon zum Drehen des Turbinenrades 3 durchlaufen, und einem Turbinenuntergehäuse 8. Das Turbinenuntergehäuse 8 ist so angeordnet, daß das in die Schaufeleintritte 3a strömende Arbeitsfluid geführt wird, so daß es zu einem Schaufelaustritt 3b des Turbinenrades 3 strömt und ferner das Arbeitsfluid zu einem Austritt 8a des Turbinenuntergehäuses 8 in Korporation mit dem Turbinenrad 3 führt.
Das Pumpenhauptgehäuse 4 ist mit einem Pumpenaustrittweg 9 versehen, der in einer Spiralform ausgebildet ist und so angeordnet ist, daß er mit Schaufelaustritten 5a des Pumpenlaufrades 5 kommuniziert, durch die gefördertes Fluid wie Wasser, Öl, Gas oder eine zweiphasige Fluidmischung vom Pumpenlaufrad 5 gefördert werden soll und ein Pumpenuntergehäuse 10. Das Pumpenuntergehäuse 10 ist so angeordnet, daß das geförderte Fluid von einem Eintritt 10a des Pumpenuntergehäuses 10 geführt wird und das geförderte Fluid, das in die Schaufeleintritt 5b strömt, ferner geführt wird, so daß es zu den Schaufelaustritten 5a des Pumpenlaufrades 5 in Korporation mit dem Pumpenlaufrad 5 strömt.
Fig. 2 ist eine Ansicht des in dieser Ausführungform verwendeten Turbinenrades, in Richtung des Pfeils X von Fig. 1, Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Line A-O-E von Fig. 2, Fig. 4, Fig. 5 und Fig. 6 sind Schnittansichten entlang der Linien B-O, der Linie C-O bzw. der Linie D-O von Fig. 2.
Wie in den Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist, ist ein durchgehendes Loch 3d, in das die Rotorwelle 6 paßt, angeordnet, so daß es das Turbinenrad 3 axial durchdringt in einer Nabe 3c, die in der Mitte des Turbinenrades 3 angeordnet ist. Schaufeln 3e, 3e, 3e sind auf dem äußeren Rand der Nabe 3c ausgebildet. Ferner ist die Nabe 3c kontinuierlich mit einer Verstärkung 3f ausgebildet und eine Meridianebenenkonfiguration der Verstärkung 3f ist als geölbte drehbare Oberfläche ausgebildet. Eine Nabenverstärkung 3f1, woran Schaufelaustrittkanten 3e1 befestigt sind, der Verstärkung 3f ist im wesentlichen parallel zu der Rotationsachse O ausgebildet.
Jeder der Schaufelaustrittkanten 3e1 weist einen Teil 33e2 an der Seite der Nabenverstärkung 3f1 auf (nachfolgend als "naher Nabenverstärkungsteil 3e2" bezeichnet) und einen Teil nache dem Gehäuse 3e3 an der Seite des Gehäuses 8, das heißt, einen spitzenteil des Schaufelaustritts (nachfolgend als "naher Gehäuseteil 3e3" bezeichnet). Der nahe Nabenverstärkungsteil 3e2 der Austrittskante 3e1 ist sanft kontinuierlich zur Nabenverstärkung 3f1 und erstreckt sich großenteils nach unten. Der nahe Gehäuseteil 3e3 der Schaufelaustrittskante 3e1 ist im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse O ausgebildet. Ferner ist die Schaufelaustrittskante 3e1 mit einer sanften bogenartigen Wölbung ausgebildet, die sich konvex nach unter erstreckt zwischen dem nahen Gehäuseteil 3e3 und dem nahen Nabenverstärkungsteil 3e2. Der Austrittswinkel der Schaufelaustrittskante 3e1 ist auf einen Winkel von im wesentlichen 0º im nahen Nabenverstärkungsteil 3e2 der Schaufelaustrittskante 3e1 eingestellt und nimmt von dem nahen Nabenverstärkungsteil 3e2 zum nahen Gehäuseteil 3e3 leicht zu. Das heißt, während der Schaufelaustrittswinkel des herkömmlichen Turbinenrades so eingestellt ist, daß er sich in einer Kurve verändert wie es von der unterbrochenen Linie von Fig. 7 gezeigt ist, so daß ein Winkel an der Rotationsachse O 90º beträgt und an der Seite eines Nabenradius merklich zunimmt, ist der Schaufelaustrittswinkeln an der Schaufelaustrittskante 3b dieser Ausführungsform auf einen Winkel von im wesentlichen 0º an einem Nabenradius rob eingestellt, wie es mit der durchgehenden Linie von Fig. 7 gezeigt ist und nimmt vom Nabenradius rob zu einem Schaufelaustrittsradius r00 leicht zu. Daher ist der Schaufelaustrittswinkel dieser Ausführungsform so eingestellt, daß er sich in einer Kurve verändert, die eine Neigung im Gegensatz zu der der Kurve der herkömmlichen Konstruktion aufweist, die von der unterbrochenen Linie dargestellt ist. In dem gezeigten Beispiel ist der Austrittswinkel der Schaufelaustrittskante 3e1 im wesentlichen auf einen Winkel eingestellt, der an dem nahe Gehäuseteil 3e3 der Schaufelaustrittskante 3e1 allgemein nach den herkömmlichen Konstruktionstechniken berechnet ist. Es versteht sich jedoch, daß er nicht darauf beschränkt ist und der Austrittswinkel der Schaufelaustrittskante 3e1 auf einen Winkel eingestellt sein kann, der größer oder kleiner ist als der Winkel, der allgmein nach den herkömmlichen Konstruktionstechniken berechnet ist. Ferner ist der Austrittswinkel zwischen dem nahen Nabenverstärkungsteil 3e2 und dem nahen Gehäuseteil 3e3 so eingestellt, daß er sich leicht verändert. Jede der Schaufeln 3e ist durch Verbinden des Schaufeleintritts 3a mit dem Schaufelaustritt 3b ausgebildet, wie oben angegeben mit einer sanften Kurve.
Fig. 8 ist eine Ansicht des in dieser Ausführungsform verwendeten Pumpenlaufrades 5 in Richtung des Pfeils Y und Fig. 9 ist eine Schnittansicht entlang der Linie A-O-E von Fig. 8. Das Pumpenlaufrad 5 ist vollständig gleich wie das oben angegebene Turbinenrad 3 ausgebildet. Da in diesem Fall die Strömungsrichtung des Fluids im Pumpenlaufrad 5 entgegengesetzt zu der des Turbinenrades 3 ist, ist die Austrittsseite des Pumpenlaufrades 5 gleich wie die Eintrittsseite des Turbinenrades 3 und die Eintrittsseite des Pumpenlaufrades 5 ist gleich wie die Austrittsseite des Turbinenrades 3. Daher sind die Bezugszeichen der Komponenten des Pumpenlaufrades 5 durch Ersetzen von "5" für "3" der Bezugszeichen entsprechender Komponenten des Turbinenrades 3 gezeigt. Auf diese Weise bezeichnet das Bezugszeichen 5a einen Schaufelaustritt, das Bezugszeichen 5b bezeichnet einen Schaufeleintritt, das Bezugszeichen 5c bezeichnet eine Nabe, das Bezugszeichen 5d bezeichnet ein durchgehendes Loch, das Bezugszeichen 5e bezeichnet eine Schaufel, das Bezugszeichen 5e1 bezeichnet eine Schaufeleintrittkante, das Bezugszeichen 5e2 ist ein Teil an der Seite der Nabenverstärkung 5f1 (nachfolgend als "naher Nabenverstärkungsteil 5e2" bezeichnet) der Schaufeleintrittskante 5e1, das Bezugszeichen 5e3 bezeichnet einen Teil an der Seite des Gehäuses 10 (nachfolgend als "naher Gehäuseteil 5e3" bezeichnet) der Schaufeleintrittkante 5e1, das Bezugszeichen 5e4 bezeichnet eine Schaufelaustrittskante, das Bezugszeichen 5f bezeichnet eine Verstärkung und das Bezugszeichen 5f1 bezeichnet die Nabenverstärkung.
Die Nabenverstärkung 5f1, woran die Schaufeleintrittkanten 5e1 befestigt sind, der Verstärkung 5f ist im wesentlichen parallel zur Rotationsachse O. Der nahe Nabenverstärkungsteil 5e2 jeder Schaufeleintrittskante 5e1 ist sanft kontinuierlich zum Nebenverstärkung 5f1 und erstreckt sich großenteils nach oben. Der nahe Gehäuseteils 5e3 der Schaufeleintrittskante 5e1 ist im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse O ausgebildet. Ferner ist die Schaufeleintrittskante 5e1 mit einer sanften bogenförmigen Kurve ausgebildet, die sich zwischen dem nahen Gehäuseteils 5e3 und dem nahen Nabenverstärkungsteil 5e2 konvex nach oben erstreckt.
Der Eintrittswinkel der Schaufeleintrittskante 5e1 ist auf einen Winkel von im wesentlichen 0º an dem nahen Nabenverstärkungsteil 5e2 der Schaufeleintrittskante 5e1 eingestellt und im wesentlichen auf einen Winkel, der allgemein nach den herkömmlichen Konstruktionstechniken am nahen Gehäuseteil 5e3 der Schaufeleintrittskante 5e1 berechnet ist. Außerdem ist der Eintrittswinkel zwischen dem nahen Nabenverstärkungsteil 532 und dem nahen Gehäuseteil 5e3 so eingestellt, daß er sich sanft verändert.
Da die anderen Komponenten des Pumpenlaufrades 5 gleich sind wie die des Turbinenrades 3, wird die Beschreibung der anderen Komponenten ausgelassen. Schnitte des Pumpenlaufrades 5 entlang der Linie B-O, der Linie C-O und der Linie D-O sind dieselben wie die Schnitte des Turbinenrades 3 wie sie in den Fig. 4, Fig. 5 bzw. Fig. 6 gezeigt sind.
Übrigens ist der Schaufeleintrittswinkel des herkömmlichen Pumpenlaufrades an der Rotationsachse O auf einen Winkel von 90º eingestellt und erhöht sich merklich an der Seite einer Nabe. Das heißt der Schaufeleintrittswinkel des herkömmlichen Pumpenlaufrades ist so eingestellt, daß er sich in einer Kurve verändert wie sie durch die unterbrochene Linie von Fig. 10 gezeigt ist. Im Gegensatz dazu ist gemäß dieser Ausführungsform der Schaufeleintrittswinkel des Schaufeleintritts 5b auf einen Winkel eingestellt, der gleich dem Schaufeleintrittswinkel ist, der nach den herkömmlichen Konstruktionstechniken an einem Schaufeleintrittsradius r10 berechnet ist wie es durch die durchgezogene Linie von Fig. 10 gezeigt ist und auf einen Winkel von im wesentlichen 0º an einer Nabenradiusstrebe, ferner ist der Schaufeleintrittswinkel zwischen dem Schaufeleintrittsradius r10 und der Nabenradiusstrebe so eingestellt, daß er sich in einer Kurve verändert, die eine Neigung im Gegensatz zu der der Kurve der herkömmlichen Konstruktion aufweist, die von der unterbrochenen Linie dargestellt ist.
Bei der Turbopumpe dieser wie oben angegeben konstruierten Ausführungsform wird das Arbeitsfluid, das eine Flüssigkeit ist wie Wasser und Öl, Gas wie Dampf oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas in des Turbinenrad 3 vom Turbineneintrittsweg 7 eingeführt, das Arbeitsfluid kollidiert dann mit den Turbinenschaufeln 3e und das Arbeitsfluid wird von den Turbinenschaufeln 3e und dem Turbinenuntergehäuse 8 geführt, so daß es zu den Schaufelaustritten 3b von den Schaufeleintritten 3a strömt und aus dem Austritt 8a des Turbinenuntergehäuses 8 ausströmt. In dieser Stufe wird das Turbinenrad 3 in Richtung des Uhrzeigersinns gedreht, wie in Fig. 2, da auf jede Turbinenschaufel 3e Kraft vom Arbeitsfluid aufgebracht wird.
Die Rotation in die Richtung a des Turbinenrades 3 bewirkt, daß das Pumpenlaufrad 5 durch die Rotorwelle 6 in Richtung b entgegen dem Uhrzeigersinn in Fig. 8 rotiert. Durch die Rotation in die Richtung b wird das geförderte Fluid, das eine Flüssigkeit ist wie Wasser, Öl, Gas oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas, vom Eintritt 10a des Pumpenuntergehäuses 10 gesaugt, so daß es in die Schaufeleintritte 5b strömt, das geförderte Fluid wird dann zu den Pumpenschaufeln 5e von den Schaufeleintritten 5b gefördert und durch die Pumpenschaufeln 5e und das Pumpenuntergehäuse 10 geführt, so daß es zu den Schaufelaustritten 5a strömt, und das geförderte Fluid wird dann durch den Pumpenaustrittsweg 9 abgegeben.
Da der Schaufelaustrittswinkel des Turbinenrades 3 wie bei dieser Ausführungsform eingestellt ist, kann das Arbeitsfluid der Nabenverstärkung sanft ohne Widerstand aus der Schaufel herausgeführt werden, wenn das Arbeitsfluid am Turbinenrad 3 strömt. Dadurch strömt das Arbeitsfluid gleichmäßig an der Seite der Nabenverstärkung 3e2 des Schaufelaustritts 3b, so daß das Arbeitsfluid effektiv entlang der gesamten Schaufel des Schaufelaustritts 3b betrieben wird (von der Seite der Nabenverstärkung zum Seite des Gehäuses). In dieser Ausführungsform erstreckt sich ferner der nahe Nabenverstärkungsteil 3e2 der Schaufelaustrittskante 3e1 großenteils nach unten, der nahe Gehäuseteil 3e3 ist im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse O ausgebildet und ausßerdem ist der Teil zwischen den Teilen 3e2 und 3e3 mit einer sanften bogenförmigen Kurve ausgebildet, die sich konvex nach unten erstreckt. Die Schaufelaustrittskante 3e1 ist auf diese Weise ausgebildet, wodurch ein weiterer Bereich vorgesehen ist, den das Fluid am Schaufelaustritt 3b durchströmt. Dadurch kann das Arbeitsfluid am Schaufelaustritt 3b effizient strömen. Daher können die Kavitationscharakteristiken der Turbine und die Turbineneffizienz verbessert werden. Durch Verbessern der Kavitationscharakteristiken und der Turbineneffizienz kann das Turbinenrad 3 bei einer noch höheren Geschwindigkeit rotieren.
Da andererseits der Schaufeleintrittswinkel des Pumpenlaufrades 5 wie in dieser Ausführungsform eingestellt ist, kann das geförderte Fluid um die Basis der Nabenverstärkung der Schaufeln 5e effizient unter den Schaufeln geführt werden wie abgezogen, wenn das geförderte Fluid in das Pumpenlaufrad 5 strömt. Dadurch strömt das geförderte Fluid gleichmäßig an der Seite des Nabenverstärkungsteils 5f1 der Schaufeleintritte 5b, so daß das geförderte Fluid effektiv entlang der gesamten Schaufeln der Schaufeleintritte 5b betrieben wird (von der Seite der Nabenverstärkung zu der Seite des Gehäuses). Ferner erstreckt sich in dieser Ausführungsform der nahe Nabenverstärkungsteil 5e2 der Schaufeleintrittskante 5e1 großenteils nach oben, der nahe Gehäuseteil 5e3 ist im wesentlichen senkrecht zur Rotationsachse O ausgebildet und außerdem ist der Teil zwischen den Teilen 5e2 und 5e3 mit einer sanften bogenformige Kurve ausgebildet, die sich konvex nach oben erstreckt. Die Schaufeleintritskante 5e1 ist auf diese Weise ausgebildet, wodurch ein weiterer Bereich vorgesehen ist, den das Fluid am Schaufeleintritt 5b durchströmt. Dadurch kann das geförderte Fluid am Schaufeleintritt 5b effizient strömen. Daher können die Kavitationscharakteristiken und die Pumpeneffizienz verbessert werden. Durch Verbessern der Kavitationscharakteristiken und der Pumpeneffizienz kann das Pumpenlaufrad 5 mit einer noch höheren Geschwindigkeit rotieren.
Wie oben angeführt werden die Turbinencharakteristiken des Turbinenrades 3, die Pumpencharakteristiken des Pumpenlaufrades 5 und die Kavitationscharakteristiken des Turbinenrades 3 und des Pumpenlaufrades 5 verbessert, so daß die Pumpencharakteristiken und die Kavitationscharakteristiken der Turbopumpe dieser Ausführungsform ebenfalls in großem Maße verbessert werden.
Fig. 11 zeigt ein Ergebnis von Tests in Hinblick auf Pumpenförderhöhe und Systemeffizienz (Pumpeneffizienz x Turbineneffizienz) der erfindungsgemäßen Turbopumpe.
In Fig. 11 bezeichnet das Zeichen O einen Fall, wo die Umdrehung der Turbopumpe 13900 bis 16900 Upm beträgt, das Zeichen Δ bezeichnet einen Fall, wo die Umdrehung der Turbopumpe 8000 bis 10000 Upm beträgt und das Zeichen bezeichnet einen Fall, wo die Umdrehung der Turbopumpe 5900 bis 7000 Upm beträgt. Das Turbinenrad 3 und das Pumpenlaufrad 5 der erfindungsgemäßen Pumpe, die in diesen Tests verwendet wurden, besitzen jeweils 52 mm Außendurchmesser und 7 mm Breite und besitzen jeweils einen Austritt oder Eintritt von 35 mm Durchmesser. Der Saugzustand der Pumpe beträgt +1m positive Förderhöhe und der Turbinenaustritt ist unter den freien Strömungszustand mit Druckfreiheit eingestellt.
Wie aus Fig. 11 ersichtlich ist zeigt das Ergebnis, daß die erfindungsgemäße Pumpe mit einem großen Druckhöhe der Pumpe H(m) bei Hochgeschwindigkeitsumdrehung versehen werden kann. Außerdem ist selbst wenn die Pumpe bei einer hohen Geschwindigkeit rotiert, wie oben angegeben, die Spitze der Systemeffizienz η (%) nicht wesentlich verringert, das heißt die Systemeffizienz η wird in einem hohen Maße beibehalten. Ferner zeigt das Ergebnis, daß der Antriebspunkt der Turbine wenig verändert wird, ungeachtet des Arbeitspunktes der Pumpe. Der Antriebspunkt der Turbine wird wie oben angegeben wenig verändert, wodurch die Steuerung der Strömungsgeschwindigkeit und des Druckes des Arbeitsfluids, das in das Turbinenrad 3 eingeführt werden soll, leicht wird.
Daher kann die Pumpe gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit effizient fördern, um eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit sicherzustellen, selbst wenn die Pumpe klein konstruiert ist, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb und eine geringere Größe der Turbopumpe möglich sind. In diesem Fall ermöglicht die Pumpe durch Verbessern der Kavitationscharakteristiken ferner Hochgeschwindigkeitsbetrieb, selbst wenn das Arbeitsfluid oder das geförderte Fluid flüssig ist oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas, nicht zu vergessen Gas.
Außerdem kann das Profil an der Spitzenseite der Schaufeln des Turbinenrades 3 und des Pumpenlaufrades 5 der geraden Linie entsprechen, die den Schaufeleintritt mit dem Schaufelaustritt verbindet, wie es durch die unterbrochenen Linien in Fig. 3 und Fig. 9 gezeigt ist oder ein bogenförmiges Profil, das in einer konkaven Form entlang der Verstärkung ausgebildet ist, wie es in dieser Ausführungsform vorgenommen ist. Das Turbinenrad 3 und das Pumpenlaufrad 5 mit einem solchen Profil an der Seite der Schaufeln ergeben auch die Charakteristiken von Strömungsgeschwindigkeit-Druck äquivalent zu der des Turbinenrades 3 und des Pumpenlaufrads 5 mit den durch die gerade Linie ausgebildeten Schaufeln. Dies reduziert natürlich das Drehmoment zum Drehen des Pumpenlaufrades 5 und reduziert den Druck der Turbine bei derselben Strömungsgeschwindigkeit, so daß die Turbineneffizienz und die Pumpeneffizienz gesteigert werden können. Außerdem ermöglicht das gewölbte Profil der Schaufelspitzenseite des Turbinenrades 3 und des Pumpenlaufrades 5 eine längere Dichtungszeit vom Eintritt zum Austritt, was die Volumeneffizienz der Turbine und die Volumeneffizienz der Pumpe erhöht und daher die Turbineneffizienz und die Pumpeneffizienz.
In der oben erwähnten Ausführungsform, wo das Turbinenrad 3 und das Pumpenlaufrad 5 jeweils mit drei Schaufeln 3e, 5e versehen sind, ermöglicht die vorliegende Erfindung, daß das Turbinenrad 3 und das Pumpenlaufrad 5 eine beliebige Anzahl von Schaufeln aufweist und ermöglicht, daß die Anzahl der Schaufeln von Turbinenrad und Pumpenlaufrad sich voneinander unterscheiden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht auf, daß das Schaufeleintrittsprofil des Pumpenlaufrades 5 und das Schaufelaustrittsprofil des Turbinenrades 3 immer gleichmäßig gehalten sind, ungeachtet der Kombination der jeweils spezifischen Geschwindigkeit.
Wenn das in der Pumpe verwendete Fluid ein Gas ist oder eine Zwischenstufe wie eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas, sind eine geeignete Anzahl von Teilschaufeln 11 in jedem Raum zwischen Schaufeln 3e des Turbinenrades 3 angeordnet oder eine geeignete Anzahl von Teilschaufeln 11 sind jeweils in jedem Raum zwischen Schaufeln 5e des Pumpenlaufrades 5 angeordnet. Dies verstärkt die Turbineneffizienz oder die Pumpeneffizienz. In diesem Fall, wenn das verwendete Fluid Gas ist, ist es wünschenswert, die Anzahl der Teilschaufeln 11, 12 zwischen den Schaufeln 3e, 5e zu erhöhen.
Wenn ferner das Turbinenhauptgehäuse 2 und das Pumpenhauptgehäuse 4 separat ausgebildet sind, können das Turbinenuntergehäuse 8 und das Pumpenuntergehäuse 10 weggelassen werden.
Fig. 12 ist eine Ansicht, die eine Ausführungsform eines Fluidzufuhrsystems unter Verwendung der erfindungsgemäßen Turbopumpe zeigt, und Fig. 13 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Wassers der in Fig. 12 gezeigten Turbopumpe.
Wie in den Fig. 12 und Fig. 13 gezeigt ist umfaßt ein Fluidzufuhrsystem 13 dieser Ausführungsform im Grund eine Turbopumpe 16, die in Wasser 15 in einem Schacht 14 angeordnet ist, die die Turbopumpe der vorliegenden Erfindung bildet, einen Drucktank 17, der auf dem Boden angebracht ist und den Tank der vorliegenden Erfindung bildet, eine Arbeitsfluidzufuhrleitung 18, die den Drucktank 17 und einen Einlaßteil 16a1 an einer Antriebsseite 16a der Turbopumpe 16 miteinander verbindet, wobei eine Abgabeleitung 19 für gefördertes Fluid einen Abgabeteil 17 mit einer Pumpe 20 verbindet, die an der Arbeitsfluidzufuhrleitung 18 angeordnet ist, um Wasser im Drucktank 17 als Arbeitsfluid der Turbopumpe 16 zuzuführen, um die Antriebsseite der Turbopumpe 16 anzutreiben und die Arbeitsfluidzufuhrpumpe der vorliegenden Erfindung darzustellen, eine Steuervorrichtung 21 zum Steuern des Betriebs der Pumpe 20, eine Zufuhrleitung 23, die mit einer Vielzahl von Hähnen 22, 22 ... versehen ist und mit dem Drucktank 17 verbunden ist, um Wasser im Drucktank 17 zu den jeweiligen Hähnen 22, 22 ... zuzuführen.
Eine Saugleitung 25 für gefördertes Fluid mit einer Öffnung im Wasser 15 des Schachts 14 durch ein Absperrventil 24 ist mit einem Saugteil 16b2 an einer Pumpenseite 16b der Turbopumpe 16 verbunden. Das Absperrventil 24 ist so angeordnet, daß es nur die Strömung von Wasser vom Schacht 14 zum Saugteil 16b2 der Turbopumpe 16 erlaubt. Wie in Fig. 13 gezeigt ist, ist ein Ausströmteil 16a2 an der Antriebsseite 16a der Turbopumpe 16 mit der Saugleitung 25 für gefördertes Fluid direkt vor dem Saugteil 16b2 durch die Arbeitsfluidausstromleitung 26 verbunden.
Fig. 14 ist eine Schnittansicht entlang der Linie XIV-XIV von Fig. 13.
Wie in Fig. 14 gezeigt ist, umfaßt die Turbopumpe 16 ein Turbinenrad 28, das drehbar im Pumpengehäuse 29 angeordnet ist und eine Rotorwelle 31, die drehbar auf einem Grenzteil zwischen dem Turbinengehäuse 27 und dem Pumpengehäuse 28 gelagert ist, worin das Turbinenrad 28 an einem Ende der Rotorwelle 31 befestigt ist und das Pumpenlaufrad 30 ist am anderen Ende der Rotorwelle 31 befestigt.
Ein Turbineneinlaßweg 32, durch den Wasser, d. h. das Arbeitsfluid zum Drehen des Turbinenrades 28, durch Anschließen der Arbeitsfluidzufuhrleitung 18 strömt, ist am Einlaßteil des Turbinengehäuses 27 angeordnet, der der Inputteil 16a1 der Antriebsseite 16a der Turbopumpe 16 ist. Der Turbineneinlaßweg 32 ist spiralförmiger Anordnung ausgebildet, so daß er mit einem Schaufeleintritt 28a des Turbinenrades 28 verbindet.
Ein Turbinenauslaßweg 33, durch den das Wasser strömt, d. h. das Arbeitsfluid dessen Energie zum Drehen des Turbinenrades 28 verbraucht wurde, ist am Austrittsteil des Turbinengehäuses 27 angeordnet, das der Austrittsteil 16a2 an der Antriebsseite 16a der Turbopumpe 16 ist. Der Turbinenauslaßweg 33 ist so angeordnet, daß er einen Schaufelaustritt 28b des Turbinenrades 28 verbindet und einen Pumpeneinlaßweg 23 (wird später beschrieben) durch die Arbeitsfluidausströmleitung 26 verbindet.
Andererseits ist ein Pumpenauslaßweg 34, durch den Wasser, d. h. das vom Pumpenlaufrad 30 geförderte Fluid, durch Anschließen der Zufuhrleitung 19 für gefördertes Fluid strömt, an einem Abflußteil des Pumpengehäuses 29 angeordnet, der der Abflußteil 16b1 der Pumpenseite 16b der Turbopumpe 16 ist. Der Pumpenauslaßweg 34 ist spiralförmig ausgebildet, so daß er einen Schaufelaustritt 30a des Pumpenlaufrades 30 verbindet.
Ein Pumpeneinlaßweg 35, durch den Wasser, d. h. das vom Pumpenaufrad 30 anzusaugende geförderte Fluid, durch Anschließen mit der Saugleitung 25 für gefördertes Fluid strömt, ist an einem Einlaßteil des Turbinengehäuses 29 angeordnet, das der Saugteil 16b2 an der Pumpenseite 16b der Turbopumpe 16 ist. Der Pumpeneinlaßweg 35 ist so angeordnet, daß er einen Schaufeleintritt 30b des Pumpenlaufrades 30 verbindet.
Das Turbinenrad 28 und die Rotorwelle 31 sind durch eine Sperre 36 miteinander verbunden, damit keine relative Rota tion zwischen ihnen möglich ist. Das Pumpenlaufrad 30 und die Rotorwelle 31 sind durch eine Sperre 37 miteinander verbunden, so daß keine relative Rotation zwischen ihnen möglich ist. Ferner sind Turbinenrad 28, Pumpenlaufrad 30 und eine Rotorwelle 31 so befestigt, daß sie durch einen Verbindungsbolzen 38 und eine Mutter 39 axial miteinander verbunden sind.
Bei der Turbopumpe 16 sind der Durchmesser des Turbinenrades 28 und die Innendurchmesser der Arbeitsfluidzufuhrleitung 18, der Arbeitsfluidabflußleitung 26, der Turbineneintrittsweg 32 und der Turbinenaustrittsweg 33 so ausgelegt, daß sie dei Turbine mit Turbinencharakteristiken kleiner Strömungsgeschwindigkeit und hoher effektiver förderhöhe versehen. Ferner sind der Durchmesser des Pumpenlaufrades 30 und die Innendurchmesser der Aubflußleitung 19 für gefördertes Fluid, die Saugleitung 25 für gefördertes Fluid, der Pumpeneintrittsweg 35 und der Pumpenaustrittsweg 34 so ausgelegt, daß sie die Pumpe mit Pumpencharakteristiken einer großen Strömungsgeschwindigkeit und geringer Förderhöhe versehen. Das heißt die Turbinencharakteristiken und die Pumpencharakteristiken sind zueinander verschieden eingestellt.
Die Fig. 12, Fig. 13 und Fig. 14 sind prinzipielle Ansichten, um ein Grundkonzept der vorliegenden Erfindung zu geben. Daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf das dargestellte beschränkt. Obwohl beispielsweise das Turbinengehäuse 27, Pumpengehäuse 29 und die Arbeitsfluidausströmleitung 26 separat ausgebildet sind, können diese integral ausgebildet sein, so daß sie mit der Arbeitsfluidausströmleitung 26 oder einer anderen Arbeitsfluidausströmleitung vorgesehen sind, die darin dieselbe Funktion aufweisen.
Das Schaufelprofil des Turbinenrades 28 ist so konstruiert, daß sie gleich ist wie das oben genannte Schaufelprofil des Turbinenrades 3 wie es in den Fig. 2, Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5, Fig. 6 und Fig. 7 gezeigt ist. Das Schaufelprofil des Pumpenlaufrades 30 ist so konstruiert, daß es gleich ist wie das oben genannte Schaufelprofil des Pumpenlaufrades 5 wie es in den Fig. 8, Fig. 9 und Fig. 10 gezeigt ist. Daher wird die Beschreibung über die Schaufelprofile weggelassen. Wie oben erwähnt kann im Turbinenrad 28 der Turbopumpe 16 eine Kavitation schwer auftreten, wodurch die Kavitationscharakteristiken der Turbine verbessert, der Energieverlust des Wasser reduziert werden und dadurch die Turbineneffizienz verbessert wird. Die Verbesserungen der Kavitationscharakteristiken und der Turbineneffizienz ermöglichen es dem Turbinenrad 28, sich bei einer noch höheren Geschwindigkeit zu drehen. Während die Kavitationscharakteristiken und die Pumpencharakteristiken im Pumpenlaufrad 30 der Turbopumpe 16 auch verbessert werden können. Wegen der Verbesserung der Kavitationscharakteristiken und der Pumpencharakteristiken auf diese Weise kann das Pumpenlaufrad 30 bei einer noch höheren Geschwindigkeit gedreht werden. Da die Turbinencharakteristiken des Turbinenrades 28, die Pumpencharakteristiken des Pumpenlaufrades 30 und deren Kavitationscharakteristiken verbessert werden, werden die Pumpencharakteristiken und die Kavitationscharakteristiken der Turbopumpe 16 dieser Ausführungsform signifikant verbessert.
Das Innere des Drucktanks 17 ist geteilt in eine erste Kammer 41 und in eine zweite Kammer 42 durch eine Trennwand 40 mit einer bestimmten Höhe. Die Abgabeleitung 19 für gefördertes Fluid ist mit einem ersten Verbindungsloch 17a im oberen Teil der ersten Kammer 41 verbunden. Die Arbeitsfluidzufuhrleitung 18 erstreckt sich von einem zweiten Verbindungsloch 17b im unteren Teil der ersten Kammer 41. Die Zufuhrleitung 23 ist auch mit dem unteren Teil der zweiten Kammer 42 verbunden. Daher strömt das vom der Turbopumpe 16 abgegebene Wasser in die erste Kammer 41 durch die Abgabeleitung 19 für geförder tes Fluid und wird in der ersten Kammer 41 gespeichert. Das gespeicherte Wasser in der ersten Kammer 41 wird von der Pumpe 20 durch die Arbeitsfluidzufuhrleitung 18 zum Turbineneintrittsweg 32 der Turbopumpe 16 geförert. Da der Wasserspiegel des in der ersten Kammer 41 gespeicherten Wassers in dieser Stufe über einem festen Wasserstand h0 ist, der von der Trennwand definiert ist, fließt das Wasser in der ersten Kammer 41 über die Trennwand 40 in die zweite Kammer 42 und wird in der zweiten Kammer 42 gespeichert. Das in der zweiten Kammer 42 gespeicherte Wasser wird durch die Zufuhrleitung 23 gefördert und wird von jedem Hahn 22 separat zugeführt. In diesem Fall wird der Innendruck des Drucktanks 17 auf einer bestimmten Höhe gehalten und das Wasser wird durch den Innendruck des Drucktanks 17 zur Zufuhrleitung 23 gefördert.
Um den Innendruck des Drucktanks 17 auf der bestimmten Höhe zu halten, ist der Drucktank 17 mit Druckdetektormitteln 43 versehen wie einem Druckschalter, einem Drucksensor oder einem Druckmesser. Das Druckdetektormittel 43 gibt ein Druckfehlersignal an die Steuervorrichtung 21, wenn der Innendruck des Drucktanks 17 um einen bestimmten Wert von der bestimmten Höhe fällt.
Die Steuervorrichtung 21 steuert die Pumpe 20, um gemäß dem Druckfehlersignal vom Druckdetektormittel 43 den Innendruck des Drucktanks 17 auf der bestimmten Höhe zu halten.
Im Fluidzufuhrsystem 13 dieser Ausführungsform, das wie oben strukturiert ist, betreibt das Steuermittel 21 die Pumpe 20 gemäß dem Druckfehlerdektorsignal, das vom Druckdetektormittel 43 ausgeben wird, wenn der Wasserspiegel des Wassers in der zweiten Kammer 42 des Drucktanks 17 niedrig ist und der Innendruck des Drucktanks 17 um den bestimmten Wert niedriger ist als die bestimmte Höhe. Durch den Betrieb der Pumpe 20 wird das Wasser im Drucktank 17 durch die Arbeitsfluidzufuhr leitung 18 als Arbeitsfluid zum Turbineneintrittsweg 32 zugeführt. Da das Wasser ferner vom Turbineneintrittsweg 32 in das Turbinenrad 28 eingeführt wird, kollidiert das Wasser von den Schaufeleintritts 28a mit den Turbinenschaufeln 28e und wird von den Turbinenschaufeln 28e und dem Turbinengehäuse 27 zu den Schaufelaustritts 28b geführt. Das Wasser fließt dann aus dem Turbinenaustrittsweg 33. In dieser Stufe wird auf die Turbinenschaufeln 28e Kraft vom Wasser aufgebracht, so daß das Turbinenrad 28 im Uhrzeigersinn a in Fig. 4 rotiert.
Die Rotation des Turbinenrades 28 in Richtung des Uhrzeigersinns α bewirkt, daß das Pumpenlaufrad 30 durch die Rotorwelle 31 in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn β rotiert, wie in Fig. 10. Durch die Rotation des Pumpenlaufrades 30 in Richtung β entgegen dem Uhrzeigersinn wird das Wasser im Schacht 14 vom Eintrittsweg 35 des Pumpengehäuses 29 durch das Absperrventil 24 und die Pumpensaugleitung 25 gesaugt, so daß es in die Schaufeleintritte 30b strömt und von den Schaufeleintritten 30b zu den Pumpenschaufeln 30e und das Pumpengehäuse 29 gefördert wird, so daß es in die Schaufelaustritte 30a strömt. Das Wasser wird dann aus dem Pumpenaustrittsweg 34 abgeführt.
Da die jeweiligen Charakteristiken des Turbinenrades 28 und des Pumpenlaufrads 30 sich ändern, strömt des Wasser, das nach dem Rotieren des Turbinenrades 28 aus dem Turbinenaustrittswegs 33 ausfließt, durch die Arbeitsfluidausgabeleitung 26 in die Pumpensaugleitung 25 und wird durch das Pumpenlaufrad 30 mit dem vom Schacht 14 durch die Pumpensaugleitung 25 angesaugte Wasser in den Pumpeneintrittsweg 35 eingesaugt. Das wird die Strömungsrate des durch den Pumpenaustrittsweg 34 ausgelassene Wasser beträchtlich höher als die Strömungsrate des vom Drucktank 17 zum Turbinenrad 28 zugeführten Wassers.
Das von der Turbopumpe 16 durch die Abgabeleitung 19 für gefördertes Fluid ausgegebene Wasser strömt in die erste Kammer 41 des Drucktanks 17 und wird in der ersten Kammer 41 gespeichert. Da die Strömungsrate des durch die Abgabeleitung 19 für gefördertes Fluid in die erste Kammer strömenden Wassers höher ist als die Strömungsrate des Wassers, das durch die Arbeitsfluidzufuhrleitung 18 aus der ersten Kammer 41 ausströmt, nimmt der Wasserspiegel in der ersten Kammer zu. Wenn der Wasserspiegel in der ersten Kammer über der festen Wasserhöhe h0 ist, fließt das Wasser in der ersten Kammer 41 über die Trennwand 40 zur zweiten Kammer 42, so daß es darin gespeichert wird. Der Wasserspiegel in der zweiten Kammer 42 erhöht sich dadurch. Die Zunahme des Wasserspiegels in der zweiten Kammer 42 bewirkt, daß der Innendruck des Drucktanks 17 höher ist. Wenn der Innendruck des Drucktanks 17 die bestimmte Druckhöhe erreicht, stellen die Druckdetektormittel 43 dies fest und stoppen die Ausgabe des Druckfehlerdetektorsignals, das an die Steuervorrichtung 21 abgegeben wurde. Dadurch stoppt die Steuervorrichtung 21 den Betrieb der Pumpe 20, so daß die Turbopumpe 16 stoppt, wodurch der Wasserfluß in den Drucktank 17 stoppt.
Wenn das Wasser in der zweiten Kammer 42 des Drucktanks 17 durch die Zufuhrteile 22 der Zufuhrleitung 23 verwendet wird, wird der Wasserspiegel in der zweiten Kammer 42 niedriger. Die Abnahme des Wasserspiegels in der zweiten Kammer 42 bewirkt, daß der Innendruck des Drucktanks 17 fällt. Wenn der Innendruck des Drucktanks 17 um den bestimmten Wert von der bestimmten Höhe fällt, gibt des Druckdetektormittel 43 das Druckfehlerdetektorsignal an die Steuervorrichtung 21. Dadurch betreibt die Steuervorrichtung 21 die Pumpe 20 und ferner die Turbopumpe 16 wie oben erwähnt, um Wasser zum Drucktank 17 zuzuführen. Wenn der Innendruck des Drucktanks 17 auf den bestimmten Wert steigt, stoppt die Steuervorrichtung 21 den Betrieb der Pumpe 20 wie oben erwähnt.
Auf diese Weise steuert die Steuervorrichtung 21 die Pumpe 20, d. h. die Turbopumpe 16 gemäß dem Druckfehlersignal vom Druckdetektormittel 43, so daß der Innendruck des Drucktanks 17 auf der bestimmten Höhe gehalten wird.
Übrigens wird in dieser Ausführungsform das Wasser im Drucktank 17 durch die Trennwand 40 geteilt in Wasser zum Speisen der Turbopumpe 16 und das Wasser zum Speisen der Zufuhrleitung 23. Dadurch wird selbst wenn kein Wasser in der zeiten Kammer ist, das Wasser in der ersten Kammer 41 gesichert, wodurch die Turbopumpe leicht und sicher betrieben wird. Um Wasser in der ersten Kammer 41 zu sichern, ist es nötig, die Wellendichtung der Pumpe 20 zu sichern, um einen Verlust von Fluid aus der Wellendichtung zu vermeiden.
In dieser Ausführungsform wird die Turbopumpe 16 durch das Wasser 15 im Schacht 14 angetrieben, das dann angehoben wird, so daß die Turbopumpe 16 durch das angehobene Wasser weiter getrieben wird. Daher ist es nicht nötig, nicht nur Spezialfluid als Arbeitsfluid zum Drehen des Turbinenrades 28 der Turbopumpe 16 zu verwenden, sondern auch ein Vermischen des Arbeitsfluids für das Turbinenrad 28 und des Förderfluids für das Pumpenlaufrad 30 zu vermeiden, so daß die Turbopumpe 16 nicht mit einer Dichtung wie einer Wellendichtung oder dergleichen nötig ist. Es macht die wasserdichte Struktur der Turbopumpe 16 einfacht, so daß die Kosten der Produktion reduziert werden können. In diesem Fall besitzt die Turbopumpe 16 keinen Elektromotor und kein Kabel zur Zufuhr von elektrischem Strom zum Elektromotor, so daß es nicht nötig ist, ein Abdichten des Elektromotors und des Kabels vorzusehen. Im Vergleich zu der Stufenpumpe 52 und dem Elektromotor 53 des herkömmlichen Fluidzufuhrsystems wie es oben genannt und in Fig. 16 gezeigt ist, ist die wasserdichte Struktur der Turbopumpe 16 daher noch einfacher und die Turbopumpe 16 ist kleiner, so daß die Produktionskosten stärker reduziert werden können.
Da die Turbopumpe 16 kleiner sein kann und die einfache wasserdichte Struktur aufweisen kann, kann die die Wartung recht einfach sein und die Turbopumpe 16 kann leicht installiert werden, ohne Probleme mit ihrer Installation im Wasser in dem langen und engen tiefen Schacht 14.
Da außerdem die Turbopumpe 16 in dieser Ausführungsform 16 keinen Elektromotor aufweist, kann sie für Fluid wie heiße Quellen, Schwefelwasserstoff oder dergleichen angewendet werden, die eine hohe Temperatur aufweisen, leicht Aufdampfen und Spezialbehandlung wie Korrosionsbeständigkeit benötigen. Das heißt, das Fluidzufuhrsystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht beschränkt auf Anwendung mit einem Schacht wie es oben erwähnt ist und kann für jede Art von Fluidzufuhrsystem verwendet werden.
Anstelle des Druckdetektormittels 43 der oben genannten Ausführungsform kann ein Füllstandmesser wie eine Höhensensor oder dergleichen zum Nachweisen des Wasserspiegels in der zweiten Kammer 42 des Drucktanks 17 vorgesehen sein, so daß die Pumpe 20 so gesteuert wird, daß der Wasserspiegel in der zweiten Kammer 42 gemäß dem Wasserspiegelfehlerdetektorsignal vom Füllstandsmesser auf Einhaltung eines festen Wasserspiegels geregelt wird.
Ferner kann das Fluidzufuhrsystem anstelle des Drucktanks 17 der oben genannten Ausführungsform einen Kopftank als konventionelles Fluidzufuhrsystem aufweisen, wie es in Fig. 16 gezeigt ist. In diesem Fall ist der Kopftank auch durch eine Trennwand in zwei Kammern geteilt, in derselben Weise wie der Drucktank 17 der oben genannten Ausführungsform.
Außerdem kann gemäß der vorliegenden Erfindung anstelle der Arbeitsfluidausströmleitung 26 der oben genannten Ausführungsform das Wasser nach dem Drehen des Turbinenrades 28 direkt in den Schacht 14 abgeführt werden.
Obwohl in der oben genannten Ausführungsform das Turbinenrad 28 und das Pumpenlaufrad 30 jeweils mit drei Schaufeln 28e oder 30e versehen sind, ermöglicht die vorliegenden Erfindung ferner, daß das Turbinenrad und das Pumpenlaufrad jeweils jede andere Anzahl von Schaufeln aufweisen und ermöglicht, daß die Anzahl der Schaufeln im Turbinenrad und des Pumpenlaufrades sich voneinander unterscheiden.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich ist, können entsprechend der Turbopumpe die Turbinencharakteristiken des Turbinenrades, die Pumpencharakteristiken des Pumpenlaufrades und die Kavitationscharakteristiken des Turbinenrades und des Pumpenlaufrades verbessert werden, wodurch die Pumpencharakteristiken und die Kavitationscharakteristiken der Turbopumpe der vorliegenden Erfindung ist starkem Maße verbessert sind.
Außerdem kann die erfindungsgemäße Pumpe eine relativ hohe Strömungsgeschwindigkeit effektiv fördern, um eine gewünschte Strömungsgeschwindigkeit sicherzustellen, wenn die Pumpe klein konstruiert ist, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb und eine geringere Größe der Turbopumpe möglich sind. In diesem Fall ermöglicht die Pumpe durch Verbesserung der Kavitationscharakteristiken weiteren Hochgeschwindigkeitsbetrieb, selbst wenn das Arbeitsfluid oder das geförderte Fluid flüssig ist oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas, nicht zu vergessen Gas.
Ferner ermöglicht die vorliegende Erfindung einen Hochgeschwindigkeitsbetrieb und geringere Größe der Turbopumpe nur durch Ausbilden der Schaufeln in der Form wie sie in der vorliegenden Erfindung offenbart ist und ermöglicht daher eine ziemlich einfache Struktur.
Außerdem wird gemäß der Struktur der vorliegenden Erfindung die Umdrehung (Rotation) der Pumpe natürlich erhöht, wenn die Dichte des geförderten Fluids an der Pumpenseite geringer ist, so daß es nicht nötig ist, die Arbeitsfluidenergie für die Turbine zu verändern und es kann auch ein Zwischenmedium gefördert werden. Daher ist es leicht, die Pumpe zu steuern und leicht, daß System zusammenzubauen.
Wenn außerdem ein Teil des aus der Turbopumpe abgegebenen Fluids durch die Arbeitsfluidzufuhrpumpe unter Druck gesetzt wird und das Druckfluid auch die Turbopumpe selbst antreibt, kann das Fluidzufuhrsystem der vorliegenden Erfindung nicht nur für einen Schacht, sondern auch für jeden Fluidlagerplatz angewendet werden. Die Turbopumpe mit derselben Struktur wie die in Fig. 14 gezeigte Turbopumpe sollte nicht auf die oben genannten Anwendungen beschränkt sein und kann zum Fördern von Fluid verschiedener Arbeitsbereiche wie Lebensmittel, Medizin, Chemikalien und dergleichen angewendet werden.

Claims

1. Turbopumpe umfassend ein Pumpenlaufrad (5), das in einem Pumpengehäuse (4) drehbar angeordnet ist, um durch Rotation ein Förderfluid zu fördern, das entweder eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas ist, ein Turbinenrad (3), das in einem Turbinengehäuse (2) koaxial zum Pumpenlaufrad drehbar angeordnet ist und durch ein Arbeitsfluid gedreht wird, das entweder eine Flüssigkeit, ein Gas oder eine Zwischenstufe umfassend eine zweiphasige Fluidmischung aus Flüssigkeit und Gas ist, wobei das Pumpenlaufrad durch die Rotation des Turbinenrades gedreht wird, worin das Pumpenlaufrad eine Verstärkung (5f) umfaßt, die kontinuierlich mit einer Nabe (5c) ausgebildet ist, in die eine Rotorwelle (6) paßt und Schaufeln (5e), die jeweils einen Schaufeleintritt aufweisen, wobei die Verstärkung (5f) eine konkav gewölbte Rotationsfläche aufweist, die in einer Meridianebenenkonfiguration ausgebildet ist und eine in einer zylindrischen Konfiguration im wesentlichen parallel zur Rotorwelle ausgebildete Nabenverstärkung (5f1), wobei eine Kante (5e1) des Schaufeleintritts an der Nabenverstärkung befestigt ist, so daß sie sanft kontinuierlich von einer Fläche der Nabenverstärkung zur oberen Seite führt und großenteils nach oben vorsteht, wobei die Kante des Schaufeleintritts einen an der zylindrischen Nabenverstärkung befestigten Teil (5e2) aufweist und einen Teil (5e3) nahe dem Pumpengehäuse, wobei der Teil (5e3) nahe dem Pumpengehäuse sich im wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle erstreckt, wobei der an der Nabenverstärkung befestigte Teil (5e2) und der Teil (5e3) nahe dem Pumpengehäuse dazwischen durch eine sanfte bogenartige Wölbung verbunden sind, die sich konvex nach oben erstreckt, so daß dadurch die Kante des Schaufel eintritts gebildet wird, wobei ein Winkel des Schaufeleintritts an dem Teil (5e2) der Kante nahe der Nabenverstärkung auf einen Winkel von im wesentlichen 0º eingestellt ist und sich von dem Teil der Kante nahe der Nabenverstärkung zum Teil (5e3) der Kante nahe dem Gehäuse kontinuierlich erhöht, wobei der Winkel des Schaufeleintritts zwischen dem Teil (5e2) nahe der Nabenverstärkung und dem Teil (5e3) nahe dem Gehäuse leicht verändert wird, um dadurch den Schaufeleintritt auszubilden, und wobei der Schaufeleintritt mit einer sanft gewölbten Fläche mit dem Ende des Schaufelaustritts verbunden ist, um dadurch jede der Schaufeln (5e) auszubilden; und das Turbinenrad umfaßt eine Verstärkung (3f), die kontinuierlich mit einer Nabe (3c) ausgebildet ist, in die die Rotorwelle paßt und Schaufeln (3e), die jeweils einen Schaufelaustritt aufweisen, wobei die Verstärkung eine konkav gewölbte Rotationsfläche aufweist, die in einer Meridianebenenkonfiguration ausgebildet ist und eine in einer zylindrischen Konfiguration im wesentlichen parallel zur Rotorwelle ausgebildete Nabenverstärkung (3f1), wobei eine Kante (3e1) des Schaufelaustritts an der Nabenverstärkung (3f1) befestigt ist, so daß sie sanft kontinuierlich von einer Fläche der Nabenverstärkung zur unteren Seite führt und großenteils nach unten vorsteht, wobei die Kante (3e1) des Schaufelaustritts einen an der zylindrischen Nabenverstärkung befestigten Teil (3e2) aufweist und einen Teil (3e3) nahe dem Turbinengehäuse, wobei der Teil (3e3) nahe dem Turbinengehäuse sich im wesentlichen senkrecht zur Rotorwelle erstreckt, wobei der an der Nabenverstärkung befestigte Teil und der Teil (3e3) nahe dem Turbinengehäuse dazwischen von einer sanften bogenartigen Wölbung verbunden ist, die sich konvex nach unten erstreckt, so daß dadurch die Kante (3e1) des Schaufelaustritts gebildet wird, wobei ein Winkel des Schaufelaustritts an dem Teil der Kante nahe der Nabenverstärkung (3f1) auf einen Winkel von im wesentlichen 0º eingestellt ist und sich von dem Teil (3e2) der Kante nahe der Nabenverstärkung zum Teil (3e3) der Kante nahe dem Gehäuse kontinuierlich erhöht, wobei der Winkel des Schaufelaustritts zwischen dem Teil (3e2) nahe der Nabenverstärkung und dem Teil (3e3) nahe dem Gehäuse leicht verändert wird, um dadurch den Schaufelaustritt auszubilden, und wobei der Schaufelaustritt mit dem Ende des Schaufeleintritts mit einer sanft gewölbten Fläche verbunden ist, um dadurch jede der Schaufeln auszubilden.

2. Turbopumpe nach Anspruch 1, worin der Winkel des Schaufeleintritts des Pumpenlaufrades (5) im wesentlichen auf einen Winkel eingestellt ist, der allgemein durch die herkömmlichen Konstruktionstechniken an dem Teil (5e3) der Kante (5e1) nahe dem Pumpengehäuse (4) berechnet ist, der Winkel des Schaufelaustritts des Turbinenrades (3) im wesentlichen auf einen Winkel eingestellt ist, der allgemein durch die herkömmlichen Konstruktionstechniken an dem Teil (3e3) der Kante (3e1) nahe dem Turbinengehäuse (2) berechnet ist.

3. Turbopumpe nach Anspruch 1, worin das Profil des Schaufeleintritts des Pumpenlaufrades (5) und das Profil des Schaufelaustritts des Turbinenrades (3), ungeachtet der Kombination der jeweils spezifischen Geschwindigkeiten, immer konstant gehalten sind.

4. Fluidzufuhrsystem unter Verwendung einer Turbopumpe nach Anspruch 1 umfassend:

die Turbopumpe (16) installiert in Fluid in einem Fluidlagerplatz wie einem Schacht (14) zum Ansaugen und Abgeben des Fluids und mit einem Pumpenlaufrad (30) und einem Turbinenrad (28);

Arbeitsfluidzufuhrpumpenantriebsmittel (20) zum Antreiben der Turbopumpe;

einen Tank (17) zum Lagern von aus der Turbopumpe abgegebenem Fluid;

eine Zufuhrleitung (23) zum Aufnehmen des Fluids aus dem Tank und Zuführen des Fluids zu jedem Zufuhrteil (22); Arbeitsfluidzufuhrpumpensteuerungsmittel (21) zum Regeln des Arbeitsfluidzufuhrpumpenantriebsmittels (20);

wobei das Turbinenrad (28) das Pumpenlaufrad (30) durch eine Rotorwelle (31) verbindet, um das Pumpenlaufrad anzutreiben; und

wobei das Arbeitsfluidzufuhrpumpenantriebsmittel (20) einen Teil des Fluids in dem Tank (17) als Arbeitsfluid zum Antreiben des Turbinenrades (28) zuführt;

ein Teil des von der Turbopumpe abgegebenen Fluids wird von den Arbeitsfluidzufuhrpumpen- und -antriebsmitteln 20 unter Druck gesetzt, das Druckfluid treibt auch die Turbopumpe selbst.

5. Fluidzufuhrsystem nach Anspruch 4, worin das Fluid Flüssigkeit ist, der Tank (17) eine Trennwand (40) aufweist, die seine Innenseite in eine erste Kammer (41) teilt, die mit der Turbopumpe (16) verbindet, und mit dem Arbeitsfluidzufuhrpumpenantriebsmittel (20) verbunden ist und eine zweite Kammer (42), die mit der Zufuhrleitung (23) verbunden ist, wobei die Trennwand (40) Flüssigkeitsspiegelregelungsmittel darstellt, die zum Lagern der Flüssigkeit mit einem ersten bestimmten Flüssigkeitsspiegel (h0) in der ersten Kammer vorgesehen sind, und zum Regeln des Flüssigkeitsspiegels in der ersten Kammer zum Einführen der überlaufenden Flüssigkeit in die zweite Kammer, wenn die Flüssigkeit in der ersten Kammer über dem ersten bestimmten Flüssigkeitspiegel in der ersten Kammer ist.

6. Fluidzufuhrsystem nach Anspruch 5, worin die Pumpensteuerungsmittel (21) die Arbeitsweise der Arbeitsfluidzufuhrpumpenantriebsmittel (20) gemäß dem Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Kammer (42) oder dem Innendruck des Tanks (17) regeln, um die Flüssigkeit in der zweiten Kammer auf einem bestimmten zweiten Flüssigkeitsspiegel zu halten oder um den Innendruck des Tanks auf einer bestimmten Höhe zu halten.

7. Fluidzufuhrsystem nach einem der Ansprüche 4, 5 und 6 ferner umfassend:

eine Förderfluidsaugrohrleitung (25) mit einem mit einem Einlaß (16b2) der Turbopumpe (16) verbundenen Rückschlagventil (24), durch das das von der Turbopumpe aus dem Fluidlagerplatz (14) gesaugte Fluid durchfließt;

wobei das Rückschlagventil (24) so vorgesehen ist, daß es die Strömung des Fluids zum Einlaß der Turbopumpe ermöglicht und verhindert, daß das Fluid in die entgegengesetzte Richtung strömt; und

einen Weg (26) zum Einführen des Arbeitsfluids nach dem Antreiben des Turbinenrades (28) in die Förderfluidsaugrohrleitung (25) zwischen einem Einlaß (16b2) der Turbopumpe (16) und dem Rückschlagventil (24);

wobei das Arbeitsfluid nach dem Betreiben des Turbinenrades zusammen mit dem Fluid von der Turbopumpe (16) in den Fluidlagerplatz (14) gesaugt wird.

8. Fluidzufuhrsystem nach Anspruch 5 oder 6, worin der Tank (17) ein Kopftank ist, der in einer Position installiert ist, die höher liegt als die Zufuhrleitung (23), um den Flüssigkeitsspiegel in der zweiten Kammer auf den zweiten bestimmten Flüssigkeitsspiegel zu regeln.