CH316900A - Hydroelektrische Maschinenanlage mit gegenläufigen Laufrädern - Google Patents
Hydroelektrische Maschinenanlage mit gegenläufigen LaufrädernInfo
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Description
Hydroelektrische Maschinenanlage mit gegenläufigen Laufrädern Die Erfindung betrifft eine hydroelek- trische Maschinenanlage mit einer als Turbine und Pumpe verwendbaren hydraulischen Ma schine, welche zwei im gleichen, das Arbeits mittel führenden Kanal hintereinander ange ordnete, axial durchflossene Laufräder mit gegenläufigem Drehsinn aufweist und bei welcher die Schaufeln mindestens eines dieser Laufräder verstellbar sind. Bei solchen Anlagen ist es möglich, die Verwendbarkeit der hydraulischen Maschine als Turbine und als Pumpe durch entspre chende Verstellung der Schaufelungen zu erreichen. Um eine Anpassung des Anstell winkels des Schaufelprofils an die mit dem Radius sich verändernde Richtung der relati ven Anströmgeschwindigkeit zu erreichen, wird in der Regel eine Verwindung der Schau fel vorgesehen in der Weise, dass das Schaufel- Profil um so flacher gegen die Umfangsrich tung geneigt ist, je grösser die Entfernung von der Achse ist. Werden gewölbte Profile für die Lauf schaufeln verwendet, so ist beim Betrieb als Turbine die konkave Profilseite gegen die Eintrittsseite des Rades, bei Betrieb als Pumpe jedoch gegen die Austrittsseite zu richten. Der Wechsel kann durch Drehen der Schaufel erreicht werden. Die Verwindung bleibt aber nur korrekt, wenn die Schaufel um ungefähr 180 gedreht wird, das heisst. so, dass sich Ein tritts- und Austrittskante der Schaufel ver tauschen. Würde dagegen die Schaufel nur so weit gedreht, dass die Eintrittskante axial auf der gleichen Seite des Rades verbleiben würde, so ergäbe sich eine verkehrt verlau fende Verwindung, indem nun die aussen liegenden Profile steiler zur Umfangsrich tung zu. liegen kommen würden als die innern Profile. Durch die Erfindung wird. nun bezweckt, eine korrekte Anströmung der Schaufel in allen Profilschnitten sowohl beim Betrieb als Pumpe wie auch beim Betrieb als Turbine zu erhalten. Zu diesem Behufe werden bei einer hydroelektrischen Maschinenanlage der eingangs umschriebenen Art erfindungsgemäss die Schaufelprofile der beiden Laufräder in koaxial zur Maschine verlaufenden zylindri schen Schnitten bezüglich einer zur Skelett linie senkrechten Achse symmetrisch ausge bildet. Damit wird es möglich, das Profil in bei den Richtungen gleich günstig anströmen -zu lassen, was den Übergang vom Betrieb als Turbine zum Betrieb als Pumpe in der einen oder andern Strömungsrichtung ermöglicht, ohne eine verkehrt verlaufende Verwindung der Schaufel und damit. eine Einbusse an Wirkungsgrad zu erhalten. In den beiliegenden Zeichnungen sind ver schiedene Ausführungsbeispiele der hydroelek trischen Maschinenanlage gemäss der Erfin dung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 einen axialen: Längsschnitt durch den Maschinensatz einer solchen Anlage, Fig. 2 eine schematische Skizze der hydro- elektrischen Maschinenanlage mit dem in Fig. 1 gezeigten Maschinensatz, Fig. 3 bis 6 je ein weiteres Beispiel, Fig. 7 Ausbildung und Stellung der Schaufelgitter der beiden Räder des ersten Beispiels in einem zylindrischen Schnitt, und Fig. 8 bis 11 weitere Schaufelgitter. Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Ma schinensatz einer hydroelektrischen Maschinen anlage sind in einem Rohr 1, das einen das Arbeitsmittel führenden Kanal bildet, zwei sich gegenläufig drehende Laufräder 2 und 21 angeordnet. Das Laufrad 2 besitzt eine Nabe 3, welche drehbar auf einer feststehenden Achse 4 angeordnet ist und drehbar eingesetzte Schaufeln 5 aufweist. Die Achse 4 sitzt in Nabenhauben 6, 61, welche sich durch Streben 7, 71 auf das Rohr 1 abstützen. Die Schaufeln 5 stehen über Hebel 8 und Laschen 9 mit einem Servomotorkolben 10 in Verbindung. Durch Leitungen 11, 12 kann Druckmittel zu beidseitig des Servomotorkol bens liegenden Druckräumen 13, 14 geleitet bzw. von diesen weggeführt werden. Durch Zufuhr von Druckmittel zum einen oder zum andern der beiden Räume wird eine Verstel lung des Servomotorkolbens 10 in axialer Richtung bewirkt, und die Verbindungen mit den Schaufeln 5 sind so angeordnet, dass bei dieser axialen Verstellung des Servomotorkol bens die Selhauüeln gedreht werden. Die Laufräder 2 und 21 weisen je einen Aussenkranz 22 bzw. 23 auf, an denen je ein umlaufender Teil 15, 151 angeordnet ist, der den Rotor einer elektrischen Maschine mit Stator 16 bzw. 161 darstellt. Für die Schaufeln des Laufrades 21 ist eine Regulierbarken nicht dargestellt. Dieses Laufrad besitzt aber zweckmässig die gleiche Reguliereinrichtung wie das Laufrad 2. Da jedes Laufrad für sich auf der festen Achse 4 drehbar angeordnet ist, laufen die beiden Räder mit mechanisch voneinander unabhängigen Drehzahlen. Die Laufräder sind bezüglich ihrer Drehgeschwindigkeit einzig elektrisch gekuppelt, falls die elektrischen Maschinen an das gleiche Netz angeschlossen sind. Die Fig. 7 zeigt die Ausbildung der Schaufelprofile der beiden Laufräder 2, 21 dieses Beispiels in koaxial zur Maschinenachse verlaufenden zylindrischen Schnitten, bei ver schiedenen Betriebsbedingungen. Die Pfeile a geben die Drehrichtung der Räder bei Pum penbetrieb und die Pfeile b die Drehrichtung bei Turbinenbetrieb an. Die Pfeile c und d beziehen sich auf die Strömungsriehtung, und zwar c für Pumpenbetrieb und d für Turbi nenbetrieb. Die obern Profile gehören dem Rad 2, die untern dem Rad 21 an. Nach der Fig. 7 sind die Profile der Schau feln der beiden Laufräder mit 29 und 291 bezeichnet. Sie weisen gerade Skelettlinien 30 und 301 auf und sind sowohl bezüglich ihrer mit der Skelettlinie zusammenfallenden Längs achse wie auch der dazu senkrecht stehenden Querachse 31 bzw. 311 symmetrisch. Die Fig. 8 unterscheidet sich von der Fig. 7 nur durch die Fliessrichtung, die Schaufelprofile sind aber gleich. Bei diesen Profilformen, welche also gleich geformte Anström- und Abströmseite aufwei sen, lä.sst sich sowohl Turbinen- als auch Pum penbetrieb in beiden Fliessrichtungen mit. an nähernd gleicher Profilstellung erreichen. Eine Schaufelverstellung ist hierbei im wesentlichen nur in jenem Bereich erforderlich, in welchem sich der Anstellwinkel der Profile zur Strö mung bei den verschiedenen Betriebsbedin- gLingen zu ändern hat. Der kleine Verstell- bereieh erlaubt eine konstruktiv einfache Ge staltung des Verstellmeehanismus. Bei einer solchen Anlage werden zweck mässig die mit dem Strömungsmittel in Be rührung stehenden Flächen bezüglich der Mittelebene zwischen den Laufrädern symme trisch angeordnet, wie in Fig. 2 dargestellt. Die Mittelebene zwischen den beiden Lauf rädern 2 iuid 21 geht. durch die Linie A-A und steht. senkrecht zur Zeichnungsebene. Die Anlage weist. Einläufe bzw. Ausläufe 17, 171 für die Strömung auf, welche bezüglich dieser Mittelebene symmetrisch angeordnet. und für beide Fliessrichtungen geeignet sind. In Fig. 3 ist eine Anlage dargestellt, bei welcher die Laufräder 2 und 21 Aussenkränze 22 bzw. 23 aufweisen, an welchen umlaufende Teile 18 bzw. 181 angeordnet sind, wobei der umlaufende Teil des einen Laufrades einen Teil des Primärteils einer elektrischen Ma schine bildet und der unnlaufende Teil des andern Laufrades einen Teil des Sekundär teils derselben elektrischen Maschine bildet. Die elektrische Maschine besitzt also hier gegenläufige Rotoren. Bei der Anlage nach Fig. 4 sind zwei gegenläufigen Laufrädern 19 und 191 einer hydraulischen Maschine Wellen 20, 201 zuge ordnet, welche nach entgegengesetzten Rich tungen aus dem Maschinengehäuse hinaus geführt sind. Über die Welle 20 ist das Lauf rad 19 mit einer elektrischen Maschine 21 ge kuppelt, und über die Welle 201 steht das Laufrad 191 mit einer elektrischen Maschine 211 in Verbindung. Bei den Anordnungen nach den Fig. 5 und. 6 sind den gegenläufigen Laufrädern Wellen zugeordnet, welche koaxial nach der gleichen Richtung aus dem Maschinengehäuse hinaus geführt sind. Diese Anordnungen sind be züglich Abdichtung des Strömungsraumes nach aussen vorteilhaft. In Fig. 5 ist dem einen von zwei gegen läufigen Laufrädern 22 und 221 eine hohle Welle 23 und dem andern eine in der hohlen Welle 23 und koaxial zu dieser verlaufende Welle 231 zugeordnet. Diese beiden sind mit einer gegenläufigen elektrischen Maschine mit den umlaufenden Teilen 24, 241 gekuppelt, wobei der eine der beiden Teile 24 und 241 den Primärteil und der andere den Sekundär teil dieser elektrischen Maschine darstellt. Bei der Anlage nach Fig. 6 sind zwei gegenläufigen Laufrädern 25 und 251 einer hydraulischen Maschine eine Hohlwelle 26 bzw. eine in dieser verlaufende Welle 261 zu geordnet. Die Hohlwelle 26 ist mit dem Rotor 27 einer elektrischen Maschine 28 gekuppelt. Die innere Welle 261 durchdringt dagegen den Rotor 27 der erwähnten elektrischen Ma schine 28 und ist mit dem Rotor 271 einer zweiten elektrischen Maschine 281 gekuppelt. Die Schaufelgitter nach den Fig. 9 und 10 besitzen in zylindrischen Schnitten Schaufel profile 32 und 321, welche gewölbte Skelett linien 33 bzw. 331 aufweisen und gewölbte Profile bilden. Diese Profile sind aber eben falls bezüglich einer zur Skelettlinie senk rechten Achse 34 bzw. 341 symmetrisch aus gebildet. Sie sind strömungstechnisch günstiger als die Profile mit gerader Skelettlinie. Soll aber Pumpenbetrieb oder Turbinenbetrieb in beiden Fliessriehtugen möglich sein, so müs sen die Schaufeln um mindestens 180 gedreht werden können, da sonst die Wölbung für die eine Fliessrichtung verkehrt verläuft. Die Schaufeln nach Fig. 9 und 10 sind in dieser Weise ausgebildet. Fig. 10 zeigt die Profil stellung für die entgegengesetzte Fliessrich tung zu jener in Fig. 9. Die Schaufeln sind hierbei um -ungefähr 180 gedreht, so dass ihre Wölbung nach der entgegengesetzten Seite ge- richtet ist. In besonderen Fällen kann es hinreichend sein, nur das eine der beiden gegenläufigen Laufräder mit regulierbaren Schaufeln aus- mustatten. Zweckmässig werden dann die Pro file der nicht regulierbaren Schaufeln so aus gebildet, d'a.ss sie in zylindrischen Schnitten gerade Skelettlinien aufweisen und bezüglich ihrer Längsachse und der dazu senkrechten Querachse symmetrisch sind, und die Profile der regulierbaren Schaufeln so, dass sie in zy lindrisehen Schnitten gewölbte Skelettlinien aufweisen und: bezüglich einer zur Skelett linie senkrechten Achse symmetrisch sind. In Fig. 11 ist endlich ein zylindrischer Schnitt durch eine'Schaufelung zweiergegen läufiger Laufräder dargestellt, bei welcher das Verhältnis von Gitterteilung zur Profillänge für die beiden Räder verschieden ist. Die Schaufeln des einen Rades haben Profile 35 von einer Länge L, welche in einem Gitter mit einer Teilung T angeordnet sind. Die Schaufeln des andern Rades besitzen dagegen Profile 351 von einer Länge L1 in Gitter anordnung mit einer Teilung T1. Das Lauf rad mit der Schaufelung 351 ist bezüglich Kavitation und Strömungsablösung stärker gefährdet als das andere Laufrad. Die Teilung T1 ist kleiner als T, L1 ist dagegen gleich L. Folglich ist das Verhältnis T1 : L1 kleiner als das Verhältnis T : L. Für beide Räder sind Schaufelblätter gleicher Form, mit den gleichen gewölbten symme trischen Schauüelprofilen gewählt. Dies ergibt eine Vereinfachung in der Herstellung. Der Unterschied im Verhältnis Gitterteilung zu Profillänge ergibt. sich aus der Wahl versehie- dener Teilung, das heisst verschiedener Schau felzahl für die beiden Räder. Es könnte aber beispielsweise auch mit gleicher Wirkung bei gleicher Teilung die Länge des Profils 351 grösser gewählt werden als jene des Profils 35, oder es könnten auch sowohl Teilung wie auch Profillänge geändert werden. Durch eine Ausführung der Schaufelung mit verschiedenem Verhältnis der Teilung zur Profillänge für die beiden Räder kann auf den Umstand Rücksicht genommen werden, dass die beiden Laufräder unter verschiedenen Strömungsverhältnissen arbeiten, so dass die Sicherheit gegenüber Kavitation und Strö mungsablösung verschieden sein wird. Es wird dann jenes Laufrad, welches bezüglich Kavi- tation und Strömungsablösung stärker gefähr det ist, so ausgeführt, dass die Schaufelprofile in zylindrischen Schnitten ein kleineres Ver hältnis der Teilung zur Profillänge aufweisen. Solche Ausführungen sind dann von Vor teil, wenn nur ein Betrieb in einer einzigen Strömungsriehtung wahlweise als Turbine oder als Pumpe vorgesehen ist, oder wenn die Ma schinenanlage für Turbinenbetrieb in der einen Strömumgsrichtung und für Pumpen betrieb in der andern Strömungsrichtung be stimmt ist. Beim Wechsel der Fliessrichtung ändert hierbei auch der Drehsinn der Lauf räder, wie dies aus der Fig. 11 zu erkennen ist. Ein Durchschwenken der Schaufeln um 180 ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Claims (1)
- PATENTANSPRUCH Hydroelektrische Maschinenanlage mit einer als Turbine und Pumpe verwendbaren hydrau- lisehen Maschine, welche zwei im gleichen, das Arbeitsmittel führenden Kanal hintereinander angeordnete, axial durehflossene Laufräder mit gegenläufigem Drebsinn aufweist und bei welcher die Schaufeln mindestens eines dieser Laufräder verstellbar sind, dadurch gekenn zeichnet, dass die Selhaufelprofile (29, 291 bzw. 32, 321) der beiden Laufräder (2, 21) in koaxial zur Maschine verlaufenden zylindri schen Schnitten bezüglich einer zur Skelett linie senkrechten Achse (311 bzw. 341) sym- metriseh ausgebildet sind. UNTERANSPRÜCHE 1.Hydroelektrische Mlasehinenanlage nach Patentanspiatch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln beider Laufräder um einen Winkel von mindestens 180 verschwenkbar sind und gewölbte Profile aufweisen. 2. Hydroelektrische Maschinenanlage nach Patenanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufelprofile (29, 291) beider Lauf räder eine gerade Skelettlinie aufweisen und auch bezüglieh der Skelettlinie symmetrisch ausgebildet sind.3. Hydroelektrisehe Maschinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Laufräder mit nicht regulier baren Schaufeln versehen ist, deren Profil eine gerade Skelettlinie aufweist und bezüglich der Skelettlinie symmetrisch geformt ist, und dass das andere Laufrad mit um einen Winkel von mindestens 180 v ersehwenkbaren, regu lierbaren Schaufeln versehen ist, deren Profil eine gewölbte Skelettlinie aufweist.. 4.Hydroelektrische Maschinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeiehnet, dass das bezüglieh Kavitation und Strömungsab lösung stärker gefährdete Laufrad eine Schau- felung (351) aufweist, bei welcher das Ver hältnis der Sehaufelteilung (T1) zur Profil länge (L1) in entsprechenden zylindrischen Schnitten kleiner ist als bei der Sehaufelung (35) des andern Laufrades. 5.Hydroelektrische Maschinenanlage nach Patentanspi-iich, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Laufräder mit nicht regulier baren und das andere mit regulierbaren Schau feln ausgerüstet ist, und dass die Profile der nicht regulierbaren Schaufeln gerade und jene der regulierbaren Schaufeln gewölbte Skelett linie aufweisen. 6. Hydroelektrische Maschinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Strömungsmittel in Berührung stehenden Flächen bezüglich der Mittelebene (A-A) zwischen den Laufrädern (2, 21) symmetrisch angeordnet sind. 7.Hydroelektrische Maschinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laufräder mit je einem von zwei mechanisch unabhängig voneinander umlau fenden Teilen (15, 151; 18, 181; 21, 211; 24, 241; 27, 271) mindestens einer elektrischen Maschine verbunden sind. B. Hydroelektrische Maschinenanlage nach Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufräder (2, 21 bzw. 22, 221) mit gegen läufigen Teilen (18, 181 bzw. 24, 241) einer einzigen elektrischen Maschine verbunden sind.9. Hydroelektrische Maschinenanlage nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Teile (15, 151 bzw. 18, 181) der elektrischen Maschine an Aussenkränzen (22, 23) der Laufräder (2, 21) angeordnet sind. 10. Hydroelektrische Maschinenanlage nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die umlaufenden Teile (24, 241 bzw. 27, 271) der elektrischen Maschine mit den Laufrädern (22, 221 bzw. 25, 251) über koaxial nach der gleichen Richtung aus dem Maschinengehäuse hinausgeführte Wellen (23, 231 bzw. 26, 261) verbunden sind.
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