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Verfahren und Einrichtung zur Verhütung bzw. Verminderung der Spaltströmung bei axialen und halbaxialen Strömungsmaschinen ohne fest mit den Laufradschaufeln verbundenem Aussenkranz
Bei Laufrädern axialer und halbaxialer Strömungsmaschinen ohne fest mit den Laufradschaufeln ver- bundenem Aussenkranz ist zwischen dem Aussenrand der Schaufeln des umlaufenden Schaufelrades und der Ummantelung des Laufrades notgedrungen ein Spalt vorhanden. Dies hat infolge des im Betrieb der Maschinen sich ausbildenden Druckunterschiedes zwischen der Druckseite und der Saugseite der Schaufeln zur Folge, dass Betriebsflüssigkeit durch den Spalt fliesst, es entsteht die sogenannte "Spaltströmung".
Ausser dem Nachteil, dass die Energie der durch den Spalt strömenden Betriebsflüssigkeit nicht in nutzbare Energie umgesetzt werden kann, also ein Verlust wertvollen Betriebswassers auftritt, bringt die Spaltströmung verschiedene weitere Nachteile mit sich. So verursacht die Spaltströmung beispielsweise das Auftreten von Kavitationserscheinungen an der Aussenkontur der Schaufeln auf deren Saugseite.
Infolge des amSchaufelrand über den Spalt hinweg zwischen der Druck-und derSaugseite der Schaufeln erfolgenden Druckausgleiches ergibt sich ausserdem eine nachteilige Beeinflussung der Druckverteilung auf der Schaufeloberfläche sowohl auf der Druck-als auch auf derSaugseite, u. zw. derart, dass sowohl der Überdruck auf der Druckseite als auch der Unterdruck auf der Saugseite der Schaufeln gegen den Schaufelrand hin abfällt.
Da aber die aus der Wechselwirkung zwischen den Laufschaufeln und der Strömung resultierende Kraft von der Druck-bzw. Geschwindigkeitsverteilung aut derSchaufelobertlache abhängt, beeinflusst somit die Spaltströmung die Leistung des Lautrades ungünstig und hat immer einen mehr oder weniger grossen Wirkungsgradverlust zur Folge. Man ist deshalb seit langem bestrebt, die durch die Spaltströmung hervorgerufenen nachteiligen Einflüsse durch geeignete Massnahmen zu beseitigen.
Hiezu sind schon verschiedene Vorschläge gemacht worden. So ist es z. B. bekannt, die nachteilige Wirkung der Spaltströmung durch geeignete Bemessung und geeignete Bauart des Spaltes wie auch durch Verändern derSchaufelform zu vermindern. Diesen Bestrebungen sind aber sehr enge Grenzen gesetzt, da einerseits aus leicht ersichtlichen Gründen eine bestimmte Mindestspaltweite nicht unterschritten werden kann, anderseits ein Verändern der Schaufelform im allgemeinen Wirkungsgradverluste zur Folge hat.
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verursachten Anfressungen von der Flügelfläche ferngehalten werden.
Die Erfindung geht nun von der Erkenntnis aus, dass es auf vorteilhafte Weise möglich ist, die durch die Spaltströmung verursachten Nachteile und Verluste in erheblichem Masse zu vermindern bzw. sogar ganz zu vermeiden, wenn von der an sich bei Turbinen bekannten Massnahme, dem Betriebswasser Luft zuzuführen, in geeigneter Weise Gebrauch gemacht wird.
Bekanntlich wurde fürFrancis-Schnellaufer-Turbinen zwecks Vermeidung von Kavitationserscheinun- gen und instabilen Strömungszuständen beim Betrieb mit Teil- oder Überlast oder Überdrehzahl bereits vorgeschlagen, dem Raum vor oder hinter dem Laufrad Luft zuzuführen. Die Luft kann dabei von der Atmosphäre her in einen vorhandenen Unterdruckbereich der Turbine eingesaugt oder auch mittels beson-
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auch in den Spalt zwischen den Laufradschaufelinnenrändern und den diesen gegenüberliegenden Teilen der Laufradnabe eine vorzugsweise regelbare Menge Luft oder Luftwassergemisch zugeführt wird.
Sowohl die Belüftung der äusseren als auch der inneren Spalten kann so erfolgen, dass die Luft oder das Luftwassergemisch gleichmässig verteilt über die axiale Erstreckung der Spalten oder aber auch mehr oder weniger nahe am druck-und/oder saugseitigen Ende derselben zugeführt wird. Während das Zuführen des Mediums am druckseitigen Ende des Spaltes immer unter Überdruck zu erfolgen hat, kann es bei Zuführen desselben im mittleren Bereich der axialen Erstreckung des Spaltes oder in der Nähe des saugseitigen Endes desselben infolge des an diesen Stellen im allgemeinen vorhandenen Unterdruckes genügen, wenn das Medium atmosphärischen Druck aufweist. Selbstverständlich kann es aber auch an diesen Stellen unter Überdruck zugeführt werden.
In jedem Fall wird das Medium zweckmässig an mahreren möglichst gleichmässig über die Länge der einzelnen Spalten verteilt angeordneten Stellen zugeführt, da dies eine gleichmässige gute Verteilung des Mediums über die ganze Spaltlänge hinweg gewährleistet und damit eine an allen Stellen im Spalt gleichmässige Wirkung erzielt wird.
Da die Luft oder das Luftwassergemisch an der Zufuhrstelle in jedem Fall, also gleichgültig ob mit atmosphärischem Druck oder mit Überdruck zugeführt, einen höheren Druck als das Betriebsmedium aufweist, wird sich die Luft nach dem Eintritt in den Bereich der Spalten entspannen und demgemäss bestrebt und auch in der Lage sein, etwa vorhandene Kavitationshohlräume auszufüllen, wodurch die bekannten nachteiligen Folgen der Kavitation, nämlich Anfressungen an den Schaufeln, zumindest erheblich vermindert werden.
Darüber hinaus bewirkt das zusätzliche Einführen eines mehr oder weniger grossen Volumens Luft oder
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sich beim Entspannen vergrössert und das Durchströmen des Betriebsmediums durch die Spalten noch weiter vermindert.
Gleichzeitig stellt sich in Abhängigkeit von der Druckdifferenz an der Eintrittsstelle aber auch noch ein mehr oder weniger grosser Staudruck ein, der bewirkt, dass der Druckausgleich zwischen der
Druck-und der Saugseite der Schaufeln wesentlich herabgesetzt oder gar ganz unterbunden wird, d. h. die
Druckdifferenz zwischen der Druck-und derSaugseite der Schaufeln erhöht sich, was zu einer günstigeren
Druckverteilung auf der druck-und der saugseitigen Schaufeloberfläche und somit zu einer Verbesserung der Leistung des Laufrades führt.
Da im allgemeinen die Ausbildung der Schaufeln unter Berücksichtigung der voraussichtlichen Spalt- strömung erfolgt, ist man dadurch sogar in die Lage versetzt, eine wirkungsgradmässig günstigere Ausbil- dung der Schaufeln verwirklichen zu können.
In vorteilhafterweise kann das erflndungsgemasse Zuführen von Luft in den Bereich der Spalten ausser zur Verminderung der Spaltwirkung auch zur an sich bekannten Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff für die biologischenAbbauvorgänge und zur Förderung der Selbstreinigung des Gewässers bei in Flussläufen eingebauten axial durchströmten Turbinen herangezogen werden, u. zw. entweder zusätzlich zu einer bei solchen Maschinen für diesen Zweck an sich schon vorgesehenen Einrichtung oder auch für sich allein.
Die im Bereich hinter den Spalten vorhandene Turbulenz der Strömung und die verhältnismässig grosse
Rotationskomponente derSpaltströmungsgeschwindigkeit bewirken nämlich, dass die im Bereich der Spal- ten zugeführte Luft besonders fein verteilt- wird und somit eine besonders vorteilhafte Vermischung von
Luft und Wasser erfolgt, dementsprechend aber auch die Sauerstoffaufnahme des Wassers eine sehr gute ist. Sofern daran gedacht ist, von diesem günstigen Umstand nur zusätzlich zu einer für den Zweck der Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff schon vorhandenen Einrichtung Gebrauch zu machen, genügt es, die Luft in einer solchen Menge zuzuführen, wie sie für den Zweck der Verminderung der Spaltwirkung vorgesehen ist.
Andernfalls ist dafür Sorge zu tragen, dass in Abhängigkeit vom Sauerstoffbedarf des Wassers eine entsprechend grössere Menge Luft, beispielsweise bis zu etwa 20% des in der Strömungsmaschine verar- beiteten Wassers, eingetragen werden kann, was besonders vorteilhaft am saugseitigen Ende der Spalten bewerkstelligt wird. Da das Einführen einer so grossen Menge Luft bekanntlich die Turbinenleistung mehr oder weniger nachteilig beeinflusst, wird von dieser Möglichkeit zweckmässig nur zu Zeiten Gebrauch gemacht, in denen eine verhältnismässig niedrige Turbinenleistung erforderlich ist, beispielsweise inden Nachtstunden, wo die Turbinen unter Umständen sogar ohne Leistungsabgabe laufen.
In zweckmässiger Ausbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Spalten die Luft oder das Lufrwassergemisch über vorzugsweise mehrere im Bereich der äusseren bzw. der äusseren und inneren Schaufelränder verteilt in den Schaufenblättern angeordnete Bohrungen, Düsen od. dgl. zuzuführen, die etwa über Verteilleitungen an beispielsweise je eine in jeder Schaufel angeordnete, durch den Schaufelzapfen hindurchgeführte Zweigleitung angeschlossen sind. Durch die Zufuhr über die umlaufenden Schaufeln ist dafür Gewähr gegeben, dass mit dem geringstmöglichen Aufwand an Luft oder Luftwassergemisch das best- mögliche Ergebnis erzielt wird, weil das Medium im Bereich der in jedem Augenblick zwischen Laufradschaufelaussenrand und Gehäuse tatsächlich vorhandenen Spalten und nur in deren Bereich zugeführt wird.
Über die Turbinenwelle, beispielsweise über eine Bohrung in derselben oder auch über ein in ihr angeordnetes Rohr od. dgl. können diese Zweigleitungen sowohl mit der Atmosphäre als auch mit einer Vorrich- tung zur Erzeugung von Druckluft in Verbindung stehen.
Günstig ist es, beide Massnahmen vorzusehen und hiefür in der Zufuhrleitung ein Umsteuerventil anzuordnen, das etwa in Abhängigkeit von der Belastung der Turbine die wahlweise Zufuhr von atmosphärischer Luft oder von Druckluft gestattet.
Für den Fall einer etwa an der Laufradnabe zwecks Vermeidung von Kavitation oder auch zwecks Anreicherung des Wassers mitSauerstoff vorgesehenen Belüftungsvorrichtung können die Bohrungen, Düsen 00. dgl. in geeigneter Weise mit dieser verbunden werden. Die Dosierung der einzuführenden Menge von Luft oder Luftwassergemisch kann sowohl von Hand als auch automatisch erfolgen, beispielsweise durch entsprechende Betätigung eines in der Zufuhrleitung angeordneten Ventils od. dgl. Vorteilhaft erfolgt dies in Abhängigkeit von einer oder auch von mehreren Betriebsgrössen der Strömungsmaschine, beispielsweise in Abhängigkeit von der Belastung, der Umfangsgeschwindigkeit am Aussenrand der Schaufeln usw.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in der Zeichnung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und wird im folgenden an Hand dieses noch näher erläutert.
In der Zeichnung sind mit 1 die Schaufeln einer schematisch dargestellten Kaplan-Turbine bezeichnet. 2 bezeichnet das Saugrohr und 3 den Laufradaussenring. Durch das etwa in der nicht dargestellten sohlen Turbinenwelle angeordnete Zuführungsrohr 4, die Zweigleitungen 5, die Verteilleitungen 6 und die
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Düsen 7 wird die Luft bzw. das Luftwassergemisch in den Bereich der Spalten 8 zwischen dem Laufrad- schaufelaussenrand und dem Laufradring bzw. der Spalten 9 zwischen dem Laufradschaufelinnenrand l'ild der.
Nabe zugeführt. In der Rohrleitung 4 ist noch ein Regulierventil 10 eingebaut, durch das die Menge des zuzuführenden Mediums reguliert werden kann, u. zw. beispielsweise in Abhängigkeit von einem lier nicht dargestellten Turbinenregler. Turbinenregler.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verhütung bzw. Verminderung der Spaltströmung bei axialen und halbaxialen Strö- mungsmaschinen ohne fest mit den Laufschaufeln verbundenem Aussenkranz bei denen der Spaltraum zwi- schen dem Laufrad und seiner Ummantelung mit der Atmosphare verbunden, gegebenenfalls in willkurll - chem oder automatisch regelbarem Ausmass belüftet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise während des Betriebes der Strömungsmaschine die Belüftung vom Laufrad her unmittelbar in den sich zwi sehen den Laufradschaufelaussenrändern und den diesen jeweils gegenüberliegenden Teilen der Ummante- lung des Laufrades erstreckenden Spaltraum (1S) durch die Zutuhr einer vorzugsweise regelbaren Menge Luft oder Luftwassergemisch erfolgt.