DE10122524A1 - Strömungsmaschinenlaufrad und Strömungsmaschine - Google Patents
Strömungsmaschinenlaufrad und StrömungsmaschineInfo
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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.
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 (18)
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:
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.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE10122524A DE10122524A1 (de) | 2001-05-09 | 2001-05-09 | Strömungsmaschinenlaufrad und Strömungsmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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Family
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
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Country Status (1)
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