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Die Erfindung handelt von mehrdüsigen horizontalen Peltonturbinen, die als einfache oder als TWIN-Turbine ausgeführt sind, mit Bechern einer Becherbreite b, welche Turbinen mit einem Stromgenerator durch eine gemeinsame mehrfach gelagerte Welle gekoppelt sind, und deren Düsen jeweils mit, von einem Verteilrohr ausgehenden Zulaufleitungen verbunden sind, wobei die Düsenkörper an einem Gehäusering befestigt sind, der auf seiner Innenseite Führungsflächen für Spritzwasser aufweist, und der in axialer Richtung beidseitig mit Gehäuseabdeckungen verbunden ist, und wobei in einem Zwischenraum zwischen dem Außen Durchmesser eines Laufrades und dem Innendurchmesser des Gehäuserings eine Spaltweite „s“ besteht.
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In der Publikation
WO 2008/003390 A1 ist eine horizontale Peltonturbine mit einem Zulaufsystem gezeigt, bei welcher bis zu sechs Düsenstrahlen an dem Laufrad angreifen und in der Patentanmeldung
PCT/EP2005/012783 sind Lösungen für die Wasserabfuhr im Zwischenraum zwischen dem äußeren Laufraddurchmesser und dem Innendurchmesser eines Gehäuserings aufgezeigt. In beiden Darstellungen haben das Laufrad und der Generator eine gemeinsame Welle und das Laufrad ist überhängend zu einem ersten Radiallager angeordnet, um teurere Konstruktionen mit mehr Lagern zu vermeiden. Führungsflächen am Gehäusering, die den Spaltquerschnitt radial nach Außen vergrößern, führen das Spritzwasser aus dem Bereich des Gehäuserings. Deren Führungswirkung ist eher grösser, wenn die Spaltweite „s“ im Verhältnis zur axialen Erstreckung klein gehalten wird. Andererseits ist die radiale Ausdehnung der Führungsflächen dadurch beschränkt, dass noch genügend Platz für eine anschließende Einrichtung zur Umlenkung des Wasserstrahles, tangential vom Laufrad weg, vorhanden sein muss, wenn man aus mechanischen Gründen für ein Laufrad die axiale Breite des Gehäuses klein hält, um den Abstand des Laufrades zum nächsten Lager klein zu halten.
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Dies zeigt sich auch in der Publikation der Zentrale von Naturno in Italien (Water Power, Publication Hydroart, März 1986 in: Pierre Henry, Turbomachines Hydrauliques, Presses Polytechniques et Universitaires Romandes). Auf Seite 4 in den und ist eine TWIN-Turbine mit beidseitig an einer verlängerten Generatorwelle aufgesetzten Laufrädern und mit zwei Düsen pro Laufrad dargestellt, wobei der Abstand der Laufräder zum nächsten Lager klein gehalten ist.
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Eine generelle Überlegung ist, dass mit bis zu sechs Düsen pro Laufrad eine entsprechende Wassermenge bzw. Leistung übertragen wird, die bei Lastabwurf des Generators zu nicht zulässigen Überdrehzahlen führt, welche auch nicht durch schnell schließende Düsen abgefangen werden könnten.
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Strahlablenker, die dieses Problem lösen, findet man in vertikal angeordneten Peltonturbinen, deren Wasserabfuhr jedoch anders als bei horizontal angeordneten Peltonturbinen gestaltet ist. Die Gehäuse für vertikale Peltonturbinen weisen große Gehäusedimensionen vertikal und horizontal auf, um das Spritzwasser aus den oberen Becherhälften über eine Umlenkungs-Konstruktion zu der Außenwand zu transportieren, von wo es vertikal nach unten in Richtung Ablaufbecken umgeleitet wird. Eine typische Darstellung ist in der französischen Publikation bei Pierre Henry: Turbomachines Hydrauliques (Presses Polytechniques et Universitaires Polytechniques) auf Seite 15, Bild 4 gezeigt. Der Strahlablenker ist schwenkbar an einem horizontal weit in das Gehäuse hineinragenden Düsenkörper befestigt. Ein ebenfalls weit in das Gehäuse hineinragendes und zur Laufradebene vertikale Welle leitet die nötige Schwenkbewegung des Strahlablenkers nach oben aus dem inneren Gehäuse heraus zu dem hydraulisch gesteuerten Mechanismus.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Freistrahlturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass der Einbau von schnell wirkenden Strahlablenkern möglich ist.
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Dies wird mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 erreicht, indem beispielsweise
- - der Abstand s weniger als zwei Becherbreiten b, vorzugsweise weniger als 50% einer Becherbreite beträgt,
- - der Düsenkörper an seiner Düsenmündung eine Stirnfläche aufweist, die teilweise in den Zwischenraum hineinragt,
- - mindestens an einer Düse ein schwenkbarer Strahlablenker an der Stirnfläche anliegt, der in den Gehäusering eingebettet ist und dessen Schwenkachse im Gehäusering abgestützt ist, und
- - die Düsenkörper zum Gehäusering abgedichtet sind.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass sie den Betreibern von horizontalen Peltonturbinen mit zwei und mehr Düsen Sicherheit ohne Leistungsverlust bietet. Dabei ist es nicht notwendig, dass alle Düsen mit einem Strahlablenker versehen sind, da ein enger Zwischenraum 19 schnell von einem einzelnen aufgefächerten Strahl geflutet wird.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass bei der Ablenkung des Strahls die zerstörerische kinetische Energie in einer ersten Stufe am Strahlablenker und in einer zweiten Stufe an Führungsflächen eines massiven Gehäuserings reduzierbar ist. Dadurch dass der Strahlablenker in den Gehäusering eingebettet ist und die Schwenkachse des Ablenkers im Gehäusering selbst abgestützt ist, wird ein Großteil der Kräfte direkt auf den Gehäusering übertragen. Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen. Mit Schwenkwinkeln α von 15° bis 25° ergibt sich eine kompakte und geschützte Konstruktion. Mit einen Schwenkradius für eine Zugstange zwischen 30% bis 50% des Schwenkradius der Außenkante des eigentlichen Ablenkers ergibt sich ein kurzer Abstand für die Hebelwirkung der Zugstange und ein kleiner Hub für einen notwendigen Schwenkwinkel, sowie eine kurze Einschwenk-Zeit. Im Weiteren erhöht es die Sicherheit, wenn im normalen Betrieb die Kraft für die Schwenkung des Strahlablenkers ohne Steuerbefehl bereits gespeichert ist. Mit einem Ablenkbogen und zwei daran anschließenden Schwenkhebeln schützt der Strahlablenker im Normalbetrieb den Düsenstrahl gegen die Drehrichtung und hält die Belüftung innerhalb des Ablenkbogens aufrecht. Dieser Ablenkbogen ist als konisches Segment ausgeführt, um eine konzentrierte Strahlbelüftung zu erreichen.
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Diese positive Schutzwirkung und Belüftung kann zusätzlich auch bei Düsen ohne Strahlablenker mittels eines Ablenkbogens erreicht werden, welcher an dem Gehäusering oder an der Stirnfläche des Düsenkörpers befestigt ist.
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Eine weitere Verbesserung der Belüftung ergibt sich, wenn in einer solchen Aussparung eine Öffnung nach außen befindet, über welche Luft eingezogen wird, um im Zusammenwirken mit der Eintauchtiefe von Führungsblechen im Ablaufkanal den Luftdruck über der Wasserfläche zu regeln. Im Weiteren ist es für eine horizontale Laufradwelle vorteilhaft, wenn der axiale Abstand des Laufrades zum nächsten Lager gering gehalten wird, da der Strahldurchmesser die Becherbreite und somit die größten Biegekräfte an dem Wellenstück bestimmt. Bei einer symmetrischen Anordnung für beide Becherhälften kann mit der gezeigten Wasserführung die axiale Gehäusebreite B weniger als sieben Becherbreiten betragen, ohne das mit dem Generator verbundene Wellenstück unnötig dick zu gestalten.
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Im allgemeinen Vergleich von Peltonturbinen mit unterschiedlichen Düsenzahlen bei gleicher Leistung sind die Herstellkosten eines Generators der größte Anteil. Für die hier gezeigten Lösungen mit mehreren Düsen pro Laufrad werden mit wachsender Düsenzahl die Kosten für den Generator kleiner. Außerdem wird der Effekt eher noch grösser, da die im Durchmesser kleineren Zuführleitungen aus Standard- Rohrstücken mit kleinerer Wandstärke herstellbar sind.
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Im Folgenden ist die Erfindung an Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:
- 1 schematisch die Anordnung einer horizontalen Peltonturbine mit einem Zulaufsystem für 6 Düsen gemäß 2 und mit einer verlängerten Generatorwelle für ein überhängend angeordnetes Laufrad.
- 2 schematisch einen vergrößerten radialen Schnitt von einem Gehäuse von 1 oder 8 mit einem für Strahlablenker geeigneten Gehäusering, mit einer Anordnung von 6 Düsen und 3 Strahlablenkern, sowie mit Führungsblechen bis zu einem Ablaufkanal.
- 3 schematisch einen Axialschnitt durch ein Gehäuse von 2 mit Laufrad, Gehäusering und mit der Wasserführung zu einem Ablaufkanal.
- 4 schematisch einen vergrößerten Ausschnitt für 2 und für 8, in welchem in dem Gehäusering für zwei eingebaute Strahlablenker in unterschiedlichen Endlagen die Wirkung auf einen Düsenstrahl dargestellt ist.
- 5 schematisch einen vertikalen Teilschnitt durch den Gehäusering von 4 mit der Lage einer Aussparung für einen Strahlablenker und mit Befestigungsflächen für Führungsbleche des Gehäuses.
- 6 schematisch in Draufsicht und Seitenansicht einen Strahlablenker mit an dem Ablenkbogen an geformten Schwenkhebeln.
- 7 schematisch die Anordnung einer TWIN-Turbine mit einem Generator, mit einem Zulaufsystem für 12 Düsen und mit einer gemeinsam für beide Laufräder zweifach gelagerten Welle.
- 8 schematisch einen radialen Schnitt durch ein Laufrad von 7 mit einem Gehäusering, der für 3 Strahlablenker gemäß den 4, 5 und 6 vorgesehen ist, und mit einer Anordnung der Düsen und der Führungsbleche des Gehäuses bis zum Ablaufkanal.
- 9 schematisch in einer Aussparung in einem Gehäusering einen ursprünglichen Ablenkbogen mit fest im Gehäusering verankerten Schwenkhebeln, wobei die Aussparung eine Öffnung für das Einbringen von Luft aufweist.
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In den Figuren sind gleiche Hinweiszeichen für gleiche Funktionen verwendet worden.
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Mit den 1, 2, 3, 4, 5 und 6 ist als erstes Beispiel eine horizontale Peltonturbine 1 mit sechs Düsen 5, mit drei Strahlablenkern 30, mit ihrer Wasserführung und mit einem zugehörigen Generator 10 gezeigt. Der Wasserzulauf geht aus einem Druckrohr 12 über einen Kugelschieber 7 in ein sich konisch erweiterndes Verteilrohr 6, von welchem Zulaufleitungen 8, 9 zu sechs Düsen 5 führen. Das Laufrad 2 ist an einem überhängenden Wellenende 3 der Generatorwelle aufgesetzt, welche mit Lagern 13, 14 abgestützt ist.
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Mit den 7, 8, sowie 3, 4, 5 und 6 ist als zweites Beispiel eine horizontale TWIN-Turbine 100 mit zwei Laufrädern 2 und mit zwei Gehäuseringen 16 und daran befestigten Gehäuseabdeckungen 18, sowie mit zwölf Düsen, mit sechs Strahlablenkern 30 und mit einem zugehörigen Generator 10 gezeigt. In einem Wasserzulaufsystem gehen ebenfalls von einem Verteilrohr 11 sechs Zulaufleitungen 8, 9 aus. Diese sind mit Stützen 58 abgestützt und verzweigen sich jeweils auf zwei weitere Leitungen 51, 52, um über Düsen 5 beide Laufräder 53, 54 parallel mit Düsenstrahlen 25 zu beaufschlagen. Die Laufräder 53, 54 sind gemeinsam beidseitig über Lager 14, 55 auf einer Verlängerung 56 der Generatorwelle abgestützt.
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In beiden Beispielen sind die Düsen 5 als Mantelrohr 22 mit einem anschließenden Düsenkörper 15 ausgeführt, der an einem Gehäusering 16 befestigt ist. Der Gehäusering trägt die Düsen 5, teilweise die Gehäuseabdeckung 18 und Führungsbleche 27. Er ist über eine Brückenkonstruktion 57 zum Fundament 29 abgestützt. Ein Torpedo 23 im Mantelrohr 22 enthält eine Mechanik für die Verstellung einer Düsennadel 24, um den Querschnitt eines Düsenstrahls 25 zu regeln. Der Düsenstrahl 25 trifft im Normalbetrieb tangential auf die Becher 4 eines Laufrades 2, wird dort auf zwei Hälften aufgesplittert, entgegen der Laufrichtung umgelenkt, um mit dem Impuls das Laufrad anzutreiben, und schlussendlich seitlich von den drehenden Becherhälften in axialer Richtung in einen Zwischenraum 19 mit Führungsflächen 17, 26 abgelenkt. Die inzwischen aufgefächerten Strahlhälften treffen auf Führungsbleche 27 des Gehäuses und werden in einen Ablaufkanal 40 abgeleitet.
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Bei Betätigung der Strahlablenker 30 drehen diese jeweils um eine im Gehäusering 16 verankerte Schwenkachse 30 im Zwischenraum 19 in den Düsenstrahl 35 hinein und lenken den Strahl mit einem Ablenkbogen 33 gegen den Gehäusering 16, wo er von den Führungsflächen 17 auf zwei Hälften aufgeteilt wird. Der im Zwischenraum 19 aufgefächerte und relativ zu den Bechern 4 abgebremste Strahl flutet den Zwischenraum 19 und die Becher 4 teilweise und verhindert eine Beschleunigung der Schwungmasse des unbelasteten Rotors des Generators 10 auf unzulässige Überdrehzahlen, bevor die Düsen sich geschlossen haben.
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Die Strahlablenker 30 sind jeweils in einer Aussparung 44 des Gehäuserings 16 eingebettet und als Schwenkhebel 34, 36, die über einen Ablenkbogen 33 miteinander verbunden sind, mit ihrer Schwenkachse 34 im Gehäusering 16 abgestützt. In einem Abstand mit Radius rh zur Schwenkachse 34 greift eine Zugstange 38 durch eine Bohrung 59 über ein Zwischenglied 34 ein, um eine Schwenkbewegung durchführen zu können. Mit der Schwenkung bewegt sich der Ablenkbogen 33 in den Düsenstrahl 25 hinein.
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Im Normalbetrieb liegt der Ablenkbogen 33 an einer Stirnfläche 20 des Düsenkörpers 15 an und ist dort über eine auf Druck beanspruchte Zugstange 38 und ein Zwischenglied 42 mit Bolzen 49 gehalten, wobei der dazu notwendige Druck über einen Hydraulikanschluss 46 in einem Zylinder 47 mit Deckel 41 auf einen Kolben 48 entsteht, der an der Zugstange 38 befestigt ist. Das Zwischenglied 42 folgt der Bewegung der Schwenkhebel, ohne die Zugstange 38, welche durch den Kolben 48 und eine Büchse 50 im Zylinderboden 47 geführt ist, in ihrer Bewegung zu hindern. Gleichzeitig ist zwischen dem Kolben 48 und zum Gehäusering 16 hin eine Druckfeder 39 vorgespannt, die bei Nachlassen des Öldrucks im Hydraulikanschluss 46 mit dem Kolben 48 und der Zugstange 38 den Strahlablenker 30 in eine eingeschwenkte Endlage dreht. Statt einer Druckfeder 39 kann deren Raum auch hydraulisch mit einem Kraftspeicher wie beispielsweise einem Blasenspeicher verbunden sein.
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Bei horizontalen Peltonturbinen mit den gezeigten Strahlablenkern 30 können, wie im Normalbetrieb, zusätzlich an den Düsen ohne Strahlablenker auch Ablenkbogen 33 fest an dem Gehäusering 16 (9) mittels Bolzen 60 oder an der Stirnfläche 20 der Düsenkörper 15 (hier nicht gezeigt) angebracht werden, die dann in Umlaufrichtung gesehen vor dem Düsenstrahl 25 einen Schutzschild bilden und hinter dem Strahl die Belüftung verbessern. Eine derartige Ausführung hat den Vorteil, dass alle Düsenstrahlen 25 im Normalbetrieb Schutz und Belüftung haben können.
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Außerdem kann über den ganzen Umfang des Laufrades die Belüftung verbessert werden, indem in Laufrichtung hinter einem Düsenstrahl durch den Gehäusering hindurch Öffnungen 62 für den Eintrag von Luft angebracht sind, welche im Zusammenwirken mit tief im Ablaufkanal 40 eingetauchten Führungsblechen 61 den Luftdruck innerhalb der Führungsbleche 61 über der Wasseroberfläche regeln. Eine Mindesteintauchtiefe 63 verhindert das Einziehen zusätzlicher Luft aus dem Ablaufkanal.
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Teileliste und Hinweiszeichen:
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- 1
- Horizontale Peltonturbine
- 2
- Laufrad
- 3
- Welle
- 4
- Becher
- 5
- Düse
- 6
- Verteilrohr
- 7
- Kugelschieber
- 8
- Zulaufleitung
- 9
- Zulaufleitung
- 10
- Generator
- 11
- Verteilrohr
- 12
- Druckleitung
- 13
- Lager
- 14
- Lager
- 15
- Düsenkörper
- 16
- Gehäusering
- 17
- Führungsfläche
- 18
- Gehäuseabdeckung
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Stirnfläche
- 21
- Düsenmündung
- 22
- Mantelrohr
- 23
- Torpedo
- 24
- Düsennadel
- 25
- Düsenstrahl
- 26
- Führungsfläche
- 27
- Führungsblech
- 28
- Fundament
- 29
- Fundament
- 30
- Strahlablenker
- 31
- Schwenkachse
- 32
- Schwenkmechanismus
- 33
- Ablenkbogen
- 34
- Schwenkhebel
- 35
- Raum
- 36
- Schwenkhebel
- 37
- Außenkante
- 38
- Zugstange
- 39
- Druckfeder
- 40
- Ablaufkanal
- 41
- Deckel
- 42
- Zwischenglied
- 43
- Befestigung
- 44
- Aussparung
- 45
- Dichtung
- 46
- Hydraulikanschluss
- 47
- Zylinder
- 48
- Kolben
- 49
- Bolzen
- 50
- Büchse
- 51
- Leitung
- 52
- Leitung
- 53
- Laufrad
- 54
- Laufrad
- 55
- Lager
- 56
- Verlängerung
- 57
- Brückenkonstruktion
- 58
- Stütze
- 59
- Bohrung
- 60
- Bolzen
- 61
- Führungsblech
- 62
- Öffnung
- 63
- Eintauchtiefe
- s
- Spaltweite
- B
- Gehäusebreite
- b
- Becherbreite
- D1
- Außen Durchmesser
- d1
- Innendurchmesser
- rh
- Schwenkradius Zugstange
- rk
- Schwenkradius Außenkante
- α
- Schwenkwinkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/003390 A1 [0002]
- EP 2005/012783 PCT [0002]
