DE10122524A1

DE10122524A1 - Strömungsmaschinenlaufrad und Strömungsmaschine

Info

Publication number: DE10122524A1
Application number: DE10122524A
Authority: DE
Inventors: Stefan Riedelbauch
Original assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG; Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2001-05-09
Filing date: 2001-05-09
Publication date: 2002-08-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmaschinenlaufrad, insbesondere Francis-Turbinen-Laufrad, umfassend eine Vielzahl von Laufschaufeln, wobei zwei benachbarte Laufschaufeln in Umfangsrichtung jeweils mit einem Zwischenraum zueinander angeordnet sind. DOLLAR A Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß in die Zwischenräume Segmente geschaltet sind, welche an den beiden benachbarten Laufschaufeln angeschlossen sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strömungsmaschinenlaufrad und eine Strömungsmaschine, insbesondere ein Strömungsmaschinenlaufrad einer hydraulischen Strömungsmaschine beziehungsweise eine hydraulische Strömungsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und dem Oberbegriff des Anspruches 8.

An hydraulische Strömungsmaschinen und dabei insbesondere an Wasserturbinen zur Energieerzeugung werden zunehmend höhere Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und eines großen Arbeitsbereiches gestellt. Vom extremen Teillastbetrieb bis hin zum Überlastbetrieb werden diese Strömungsmaschinen mit entsprechend stark variiertem Durchsatz betrieben, wobei sie gleichzeitig in allen Lastbereichen einen möglichst hohen Wirkungsgrad aufweisen sollen.

Aufgrund dieses divergierenden Einsatzprofiles unterliegen bekannte Strömungsmaschinen häufig insbesondere im Teillastbereich Schwingungsproblemen. Besonders gefährdet sind die Turbinenläufer beziehungsweise andere Bauteile der Strömungsmaschinen, wenn die auftretenden Schwingungen eine Frequenz aufweisen, die in der Nähe der Eigenschwingungsfrequenz des Läufers beziehungsweise dieser Bauteile liegt. Oft müssen daher bestimmte Teillastbereiche für den Turbinenbetrieb gesperrt werden, beziehungsweise ist es erforderlich, daß beim Hochfahren der Maschine hin zu größeren Lastbereichen diese Teillastbereiche besonders schnell durchfahren werden. Da diese Anforderungen den Arbeitsbereich der Strömungsmaschine einschränken, sind sie nachteilig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strömungsmaschinenlaufrad und eine Strömungsmaschine anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert sind. Insbesondere soll ein Strömungsmaschinenlaufrad beziehungsweise eine Strömungsmaschine angegeben werden, das/die eine verbesserte Schwingungsfestigkeit aufweist, in nahezu allen Teillastbereichen betrieben werden kann und gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Diese Aufgabe wird durch ein Strömungsmaschinenlaufrad gemäß Anspruch 1 beziehungsweise durch eine Strömungsmaschine gemäß Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben besonders vorteilhafte Ausgestaltungen.

Das erfindungsgemäße Strömungsmaschinenlaufrad umfaßt eine Vielzahl von Laufschaufeln. Die Laufschaufeln sind - in Umfangsrichtung gesehen - mit jeweils einem Zwischenraum zueinander angeordnet. In den Zwischenraum sind Segmente eingebracht, welche an den beiden benachbarten Schaufeln, zwischen die sie geschaltet sind, angeschlossen sind. Besonders vorteilhaft sind die Segmente als zur Laufradlängsachse koaxiale Ringsegmente ausgeführt.

Denkbar ist auch, daß nicht in alle Zwischenräume zwischen jeweils zwei Laufschaufeln ein solches Segment geschaltet ist sondern nur in eine bestimmte Anzahl der Zwischenräume, oder daß mittels zwischengefügter Segmente einzelne Schaufelpakete gebildet werden. Zur Verhinderung von Schwingungsanregung aufgrund von mechanischen oder hydraulischen Ursachen, zum Beispiel durch Druckstöße, Wechselwirkung von rotierenden und nicht-rotierenden Bauteilen und/oder durch vonKarman Wirbel, ist jedoch vorzugsweise in jeden Zwischenraum zwischen zwei Laufschaufeln mindestens ein Segment geschaltet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist ein Segment beziehungsweise Ringsegment zwischen zwei Laufschaufeln - in einem Axialschnitt durch das Strömungsmaschinenlaufrad gesehen - die Kontur eines Laufradprofiles auf. Üblicherweise hat ein solches Laufradprofil eine Vorderseite beziehungsweise eine stumpfe, gerundete Anströmseite, nachfolgend im weiteren Strömungsverlauf eine konkav gewölbte Druckseite und gegenüberliegend eine längere, konvex gewölbte Saugseite und eine dünn auslaufende Abströmkante.

Diese Profilierung des Segmentes in Strömungsrichtung ist vorzugsweise hinsichtlich des Wirkungsgrades insbesondere für einen vorgegebenen Lastbereich optimiert, wobei in der Regel eine Strömungsablösung beziehungsweise Wirbelbildung verhindert werden soll.

Die Segmente sind vorzugsweise - betrachtet über die Längsachse einer Schaufel - in einem Bereich des mittleren Drittels zwischen den beiden Laufschaufelenden angeordnet. Damit können lange frei schwingende Schaufelabschnitte vermieden werden. Die genaue Positionierung der Segmente bezüglich der Schaufellängsachse erfolgt dabei vorteilhaft in Abhängigkeit einer vorgegebenen einzustellenden Eigenfrequenz der einzelnen Laufschaufeln beziehungsweise des Laufrades, welche in Abhängigkeit eines gewählten, häufig zu fahrenden Lastbereiches festgelegt werden kann.

Insbesondere bei besonders langen Laufschaufeln ist es vorteilhaft, in den Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln mehrere zueinander beabstandete Segmente und/oder Ringsegmente zu schalten, um die frei schwingenden Laufschaufelabschnitte klein zu halten.

Bei einem relativ kleinen Laufraddurchmesser können die Ringsegmente zusammen als geschlossener Ring ausgebildet sein. Es können vorteilhafterweise mehrere benachbarte Laufschaufeln zusammen mit den dazwischen angeordneten Segmenten integral, bevorzugt aus einem Werkstück gefräst oder gegossen hergestellt sein.

Bei Ausführung der Ringsegmente als geschlossener Ring beziehungsweise beim Einbringen von einzelnen Segmenten in die Zwischenräume der Laufschaufeln können der Ring beziehungsweise die Segmente kostengünstig mit den Laufschaufeln verschweißt werden.

In einer besonderen Ausführung der Erfindung sind die Segment auch in Umfangsrichtung des Strömungsmaschinenlaufrades profiliert beziehungsweise gekrümmt ausgeführt. Beispielsweise kann ein einzelnes Segment an der einen benachbarten Schaufel auf einem anderen Radius bezogen auf die Laufradlängsachse angeschlossen sein als an der anderen benachbarten Schaufel. Dadurch kann zum einen das Strömungsverhalten im Strömungskanal des Laufrades als auch das Schwingungsverhalten einzelner Laufschaufeln gezielt beeinflußt werden.

Durch eine räumlich vorgegebene Positionierung der einzelnen Segmente auf der Laufschaufeloberfläche kann besonders im Teillastbetrieb gezielt das Auftreten von sogenannten Sekundärwirbeln vermindert beziehungsweise vollständig verhindert werden, was zur Wirkungsgradsteigerung führt.

Die erfindungsgemäße Strömungsmaschine umfaßt ein Laufrad mit einer Vielzahl von zueinander mit jeweils einem Zwischenraum angeordneten Laufschaufeln und weiterhin eine Leitvorrichtung mit einer Vielzahl von zueinander mit jeweils einem Zwischenraum angeordneten Leitschaufeln und/oder Traversen. In die Zwischenräume der Laufschaufeln sind Segmente, insbesonder zur Laufradachse koaxiale Ringsegmente geschaltet. Die Segmente sind an den beiden benachbarten Laufschaufeln angeschlossen.

Besonders vorteilhaft sind auch in die Zwischenräume der Leitschaufeln und/oder der Traversen Segmente, insbesondere zur Laufradachse koaxiale Ringsegmente geschaltet. Diese Segmente in den Leitschaufelzwischenräumen beziehungsweise Traversenzwischenräumen können vorzugsweise ebenfalls strömungsoptimiert profiliert sein, das heißt um die Funktion einer Leitschaufel zu übernehmen, umfassen sie, im Axialschnitt durch den Leitapparat gesehen, die Kontur eines Leitschaufelprofiles. Mittels dieser leitschaufelprofilierten Segmente wird die Strömung so umgelenkt, daß sie in einem vorgegebenen Anströmwinkel auf das Laufschaufelprofil der Segmente zwischen den Laufradschaufeln auftrifft. Mittels der Kombination von profilierten Segmenten sowohl im Laufschaufelkanal als auch im Leitschaufelkanal können besonders hohe Wirkungsgrade erzielt werden.

Bei um ihre Längsachse verstellbaren Leitschaufeln ist ein Einbringen von Ringssegmenten unmittelbar in den Zwischenraum zwischen den Leitschaufeln konstruktiv schwierig. Vorteilhafterweise werden dann Segmente beziehungsweise Ringsegmente oder auch ein vollständiger Ring in Strömungsrichtung vor die Leitschaufeln geschaltet oder, insbesondere bei breiten Leitschaufeln, in den Raum zwischen Leitschaufeln und Laufschaufeln.

Bei einer Mehrzahl von Segmenten oder Ringsegmenten pro Zwischenraum zwischen den Laufschaufeln sind auch in den Zwischenraum zwischen zwei Leitschaufeln mehrere, vorzugsweise die gleiche Anzahl von Ringsegmenten geschaltet.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenlaufrades beziehungsweise einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Strömungsmaschinenlaufrad;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Strömungsmaschine.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Strömungsmaschinenlaufrades in einem Axialschnitt (oben) und einer Seitenansicht (unten). Wie man sieht, ist das Strömungsmaschinenlaufrad 1 das Laufrad einer Francis-Turbine. Es umfaßt an seinem oberen Ende einen Laufradboden 2.2 und an seinem unteren Ende einen Laufradkranz 2.3. Zwischen Laufradboden 2.2 und Laufradkranz 2.3 sind eine Vielzahl von Laufschaufeln 2 geschaltet. Die Laufradlängsachse 5 des Strömungsmaschinenlaufrades 1 ist senkrecht angeordnet. Die Anströmung erfolgt nahezu radial, und die Abströmung axial. Die Strömungsrichtung ist mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. In die Zwischenräume 2.1 zwischen den einzelnen Laufschaufeln 2 sind Ringsegmente 10 geschaltet. Wie man sieht, weisen diese Ringsegmente 10 in dem dargestellten Axialschnitt des Strömungsmaschinenlaufrades 1 die Kontur eines Laufradprofiles auf.

In Fig. 2 ist ein Axialschnitt durch ein Laufrad 1 und durch eine Leitvorrichtung 3 eines Ausführungsbeispieles einer erfindungsgemäßen Strömungsmaschine dargestellt. Entsprechende Bauteile aus Fig. 1 sind dabei mit den gleichen Bezugsziffers gekennzeichnet.

Die Leitvorrichtung 3 umfaßt in dem dargestellten Beispiel einen Leitapparat mit einer Vielzahl von Leitschaufeln 4 und in Strömungsrichtung vor dem Leitapparat eine Vielzahl von Traversen 4.2. An dieser Stelle sind eine Vielzahl unterschiedlicher Leitvorrichtungen denkbar, beispielsweise sei die Anordnung von auschließlich feststehenden Traversen genannt, eine oder mehrer Reihen von Leitschaufeln und/oder Einströmsegmente oder auch eine sogenannte Einströmspirale.

Man erkennt neben dem Ringsegment 10 in dem Zwischenräumen 2.1 zwischen den Laufschaufeln 2 des Laufrades 1 auch ein Ringsegment 11 in einem Zwischenraum 4.1 zwischen zwei Leitschaufeln 4 des Leitapparates in der Leitvorrichtung 3. Dieses Ringsegment 11 ist, wie auch die anderen nicht dargestellten Ringsegmente in den weiteren Zwischenräumen zwischen den Leitschaufeln, in Strömungsrichtung 21 profiliert. Dabei weist das Ringsegment 11 die Kontur eines Leitschaufelprofiles auf.

Die Ringsegmente 11 in den Zwischenräumen 4.1 der Leitschaufeln 4 lenken die Strömung derart um, daß sie in einem vorgegebenen Anströmwinkel auf die Vorderkante der Ringsegmente 10 in den Zwischenräumen der Laufschaufeln 2 auftrifft. Damit kann ein besonders hoher Wirkungsgrad erreicht werden.

Wie man sieht, sind sowohl die Ringsegmente 10 als auch die Ringsegmente 11 im Bereich des mittleren Drittels bezogen auf die Längsausdehnung der Schaufel angeordnet. Damit werden lange, frei schwingende Schaufelabschnitte vermieden.

Bezugszeichenliste

1

Strömungsmaschinenlaufrad

2

Laufschaufel

2.1

Zwischenraum

2.2

Laufradboden

2.3

Laufradkranz

3

Leitvorrichtung

4

Leitschaufel

4.1

Zwischenraum

4.2

Traverse

5

Laufradlängsachse

10

Ringsegment

11

Ringsegment

20

Strömungsrichtung

21

Strömungsrichtung

Claims

1. Strömungsmaschinenlaufrad (1), insbesondere Francis-Turbinen- Laufrad, umfassend eine Vielzahl von Laufschaufeln (2);

1.1 zwei benachbarte Laufschaufeln (2) sind in Umfangsrichtung jeweils mit einem Zwischenraum (2.1) zueinander angeordnet;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

1.2 in die Zwischenräume (2.1) sind Segmente geschaltet;

1.3 die Segmente sind an den beiden benachbarten Laufschaufeln (2) angeschlossen.

2. Strömungsmaschinenlaufrad (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente Ringsegmente (10) sind, welche insbesondere zur Laufradlängsachse (5) koaxial ausgerichtet sind.

3. Strömungsmaschinenlaufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente profiliert sind und insbesondere in einem Axialschnitt durch das Strömungsmaschinenlaufrad (1) die Kontur eines Laufradprofiles aufweisen.

4. Strömungsmaschinenlaufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

4.1 das Strömungsmaschinenlaufrad (1) ist ein Francis-Turbinen-Laufrad mit senkrecht stehender Längsachse (5);

4.2 die Laufschaufeln (2) sind mit ihrem einen Ende an einen Laufradboden (2.2) und mit ihrem anderen Ende an einen Laufradkranz (2.3) angeschlossen;

4.3 die Segmente sind vorzugsweise in einem Bereich eines mittleren Drittels zwischen Laufradboden (2.2) und Laufradkranz (2.3) angeordnet.

5. Strömungsmaschinenlaufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in jeden Zwischenraum (2.1) zwischen zwei benachbarten Laufschaufeln (2) mehrere zueinander beabstandete, vorzugsweise in Strömungsrichtung (20) profilierte Segmente, insbesondere Ringsegmente (10) geschaltet sind.

6. Strömungsmaschinenlaufrad (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringsegmente (10) als geschlossener Ring ausgebildet sind.

7. Strömungsmaschinenlaufrad (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere benachbarte Laufschaufeln (2) zusammen mit den dazwischen angeordneten Segmenten integral ausgebildet sind.

8. Strömungsmaschine, insbesondere Francis-Turbine, umfassend eine Leitvorrichtung (3) mit einer Vielzahl von zueinander mit jeweils einem Zwischenraum (4.1) angeordneten Leitschaufeln (4) und/oder Traversen (4.2), dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmaschine ein Laufrad gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfaßt.

9. Strömungsmaschine gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in die Zwischenräume (4.1) der Leitschaufeln (4) und/oder der Traversen (4.2) Segmente mit insbesondere einer in Strömungsrichtung (21) profilierten Kontur, insbesondere zur Laufradachse (5) koaxiale Ringsegmente (11) geschaltet sind.

10. Strömungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in einem Axialschnitt durch den Leitapparat (3) die Kontur eines Leitschaufelprofiles aufweisen.

11. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente und/oder Ringsegmente (11) beziehungsweise ein vollständiger Ring in Strömungsrichtung (21) vor die Leitschaufeln (4) und/oder in den Raum zwischen Leitschaufeln (4) und Laufschaufeln (2) geschaltet sind.

12. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in jeden Zwischenraum (4.1) zwischen zwei Leitschaufeln (4) und/oder Traversen (4.2) mehrere zueinander beabstandete Segmente, insbesondere Ringsegmente (11) geschaltet sind.