CH316900A - Hydroelektrische Maschinenanlage mit gegenläufigen Laufrädern - Google Patents

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)

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.