DE19950228A1 - Hydraulische Strömungsmaschine - Google Patents
Hydraulische StrömungsmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine DOLLAR A - mit einem Laufrad, das eine Vielzahl von Laufschaufeln aufweist; DOLLAR A - mit einem Leitapparat, der eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweist; DOLLAR A - die Leitschaufeln sind jeweils um eine Drehachse verdrehbar; DOLLAR A - die Austrittskante einer jeden Leitschaufel - bei gradlinigem Kantenverlauf - beziehungsweise die Verbindungslinie zwischen den Endpunkten einer jeden Austrittskante - bei gekrümmtem Kantenverlauf - ist zur Leitschaufel-Drehachse geneigt.
Description
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Strömungsmaschine, insbesondere
eine Wasserturbine, Pumpturbine oder Pumpe, umfassend ein Laufrad, ein
Gehäuse, das mit entsprechenden Zuflüssen und Abflüssen versehen ist
sowie einen Leitapparat. Laufrad und Leitrad umfassen jeweils eine Mehrzahl
von Schaufeln. Die Schaufeln des Leitrades sind in einem Kanal angeordnet,
der dem Laufrad vorgeschaltet ist. Es können auch zwei oder mehrere
Leiträder vorgesehen sein. Als Beispiel wird auf US-A-4 496 282 verwiesen.
Es ergibt verschiedene Bauarten von Wasserturbinen. Francisturbinen werden
bei größeren Fallhöhen eingesetzt. Das Laufrad wird von außen nach innen
durchströmt, wobei die Abströmung stets axial erfolgt. Kaplanturbinen sind für
relativ niedrige und stark schwankende Fallhöhen geeignet.
Bei Francisturbinen erfolgt die Regelung durch Verstellen der Leitschaufel
über Lenker mittels Stellkräften von zwei (in Sonderfällen auch vier)
hydraulischen Servomotoren. Es werden auch Einzelservomotoren für jede
Leitschaufel angewandt. Bei einer Änderung der Betriebsverhältnisse aufgrund
von Fallhöhenschwankungen oder von Durchsatzschwankungen wird der Drall
vor dem Laufrad durch Leitschaufelverstellung angepaßt. Die Anpassung
erfolgt derart, daß die Laufraddrehzahl je nach der abgenommenen
Antriebsleistung des Generators konstant bleibt. Die Leitschaufeln bewirken in
den extremen Betriebsstellungen im einen Falle einen fast freien
Durchschlußquerschnitt, im anderen Falle einen nahezu geschlossenen
Durchschlußquerschnitt.
Bei Kaplanturbinen sind sowohl die Leitradschaufeln als auch die
Laufradschaufeln verstellbar. Der Arbeitspunkt wird demgemäß durch eine
optimale Zuordnung der Leitschaufelstellung zur Laufschaufelstellung
bestimmt.
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich
und den Wirkungsgrad von hydraulischen Strömungsmaschinen mit gelenkten
Strömungen zu verbessern. Eine wichtige Anforderung ist es dabei, einen
möglichst hohen Wirkungsgrad über einen weiten Betriebsbereich zu sichern.
Dabei wurden im Laufe der Zeit viele Teilaspekte untersucht. Moderne
hydraulische Strömungsmaschinen besitzen einen Verlustanteil von weniger
als fünf Prozent. Steigerungen des Wirkungsgrades in der Größenordnung
eines Zehntel Prozent gelten bereits als hoch.
Ein weiteres Problem bei hydraulischen Strömungsmaschinen mit
Leitschaufeln und Laufschaufeln sind Pulsationen, d. h. Druckschwingungen.
Diese erzeugen oszillierende Kräfte, die ihrerseits im Laufe von Monaten und
Jahren des Betriebes zu mechanischen Beanspruchungen und Verschleiß
führen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen
der Wirkungsgrad noch mehr gesteigert werden kann, und mit denen ein
breites Spektrum von Fallhöhen oder von Durchsätzen oder von diesen
beiden optimal ausgenutzt, und damit der Wirkungsgrad bei unterschiedlichen
Betriebsbedingungen maximiert werden kann. Außerdem sollen Maßnahmen
getroffen werden, um die genannten Pulsationen zu verringern oder zu
dämpfen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Demgemäß
werden die Austrittskanten der Leitschaufeln - bei gradlinigem Kantenverlauf -
beziehungsweise die Verbindungslinie zwischen den Endpunkten einer jeden
Austrittskante - bei gekrümmtem Kantenverlauf - derart angeordnet, daß sie
zur Leitschaufel-Drehachse geneigt sind. Hierdurch wird die Abströmung von
der Leitschaufel im Sinne einer optimalen Strömungsführung günstig
beeinflußt.
Der Neigungswinkel braucht nur einige wenige Grad zu betragen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung werden die Schaufeln von Leitrad und
Laufrad derart gestaltet, daß die Austrittskanten der Leitschaufeln und die
Eintrittskanten der Laufschaufeln - in einem Meridianschnitt gesehen - bei
einer hydraulisch relevanten Leitschaufelöffnung weitgehend parallel
zueinander verlaufen. Außerdem sollten sie nahe beieinander liegen. Es kann
hierdurch ein weitgehend gleichmäßiger Abstand der Meridiankontur des
Laufrades und der Leitschaufelkontur bei einer hydraulisch relevanten
Leitschaufel erzielt werden.
Es hat sich gezeigt, daß sich durch die genannten erfindungsgemäßen
Maßnahmen Pulsationen minimieren lassen, so daß die mechanische
Festigkeit sowie die dynamische, hydraulische Belastung verbessert wird.
Außerdem wird die Strömung ganz allgemein optimiert, beispielsweise im
Hinblick auf die Vermeidung von Kavitation.
Eine weitere, vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, die Drehachsen der
Leitschaufeln derart zu legen, daß sie nicht parallel zur Laufrad-Drehachse
verlaufen, sondern unter einem gewissen Neigungswinkel. Handelt es sich um
konische Laufschaufeln, so verlaufen die Schließkanten - in ihrer Verlängerung
- nicht durch den Konus-Mittelpunkt.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im
einzelnen folgendes dargestellt:
Fig. 1 zeigt die wesentlichen Bauteile einer konventionellen Francis-
Turbine mit zylindrischem Leitapparat in einem Meridianschnitt,
Fig. 2 zeigt die wesentlichen Bauteile einer erfindungsgemäßen
Francis-Turbine mit zylindrischem Leitapparat in einem
Meridianschnitt,
Fig. 3 zeigt die Austrittskante einer Leitschaufel und eine Eintrittskante
des Laufrades bei einer konventionellen Francis-Turbine, in
Strömungsrichtung gesehen,
Fig. 4 zeigt die Austrittskante einer Leitschaufel sowie eine
Eintrittskante des Laufrades bei einer erfindungsgemäßen
Francis-Turbine in Strömungsrichtung gesehen.
Die in Fig. 1 gezeigte konventionelle Francis-Turbine weist eine Turbinen-
Hauptachse 1 auf, um die ein Laufrad 2 umläuft. Dem Laufrad ist in
Strömungsrichtung ein Leitapparat 3 mit verstellbaren Leitschaufeln
vorgeschaltet, und dem Leitapparat 3 wiederum ein sogenannter
Traversenring 4 mit feststehenden Schaufeln.
Die einzelne Schaufel des Leitapparates 3 weist jeweils eine Austrittskante auf,
und die einzelne Schaufel des Laufrades 2 weist jeweils eine Eintrittskante 2.1
auf. Jede Schaufel des Leitapparates 3 ist um eine Achse 3.4 verdrehbar, die
im vorliegenden Falle parallel zur Turbinenhauptachse 1 verläuft.
In diesem Schnitt verläuft die Austrittskante 3.1 einer jeden Leitschaufel
zwischen den Punkten A und B auf einer Geraden. Hingegen ist die
Eintrittskante 2.1 einer jeden Schaufel des Laufrades zwischen den Punkten C
und D räumlich gekrümmt.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die
Austrittskante 3.1 einer jeden Leitschaufel zwischen den Punkten A und B
räumlich gekrümmt. Die Krümmung ist eine ähnliche wie jene der
Eintrittskante 2.1 einer jeden Schaufel des Laufrades 2 zwischen den Punkten
C und D. Die beiden Kanten 3.1 und 2.1 liegen relativ nahe beieinander.
Die Verbindungslinie zwischen den Punkten A und B ist zur Turbinen-
Hauptachse 1 bzw. zur Achse 3.4 des Leitapparates 3 windschief angeordnet.
Überdeckt die Eintrittskante 2.1 des rotierenden Laufrades den Punkt B der
Austrittskante 3.1 der Leitschaufel, so bilden - in Strömungsrichtung gesehen -
die beiden Punkte A, B ( = D) und C ein Dreieck, in dem alle Winkel kleiner
als 90° sind. Die Winkel dieses Dreiecks brauchen erfindungsgemäß nur
wenig kleiner als 90° zu sein. Diese Schiefstellung der Leitschaufel
Austrittskante 3.1 gegenüber der Laufrad Eintrittskante 2.1 kann wie folgt
erreicht werden:
entweder durch eine Neigung bzw. Krümmung des Leitschaufelplatzes 3, oder durch eine Schiefstellung der Leitschaufel Drehachse 3.4 gegenüber der Turbinen-Hauptachse 1.
entweder durch eine Neigung bzw. Krümmung des Leitschaufelplatzes 3, oder durch eine Schiefstellung der Leitschaufel Drehachse 3.4 gegenüber der Turbinen-Hauptachse 1.
Die Verhältnisse zwischen der Austrittskante 4.1 einer jeden Traverse und der
Eintrittskante 3.2 einer jeden Leitschaufel sind bei der Erfindung ganz ähnlich
wie zwischen einer Austrittskante 3.1 einer jeden Leitschaufel und einer
Eintrittskante 2.1 einer jeden Schaufel des Laufrades. Die Austrittskanten 4.1
einer jeden Traverse sind bei der Erfindung nämlich ebenfalls räumlich
gekrümmt.
Die Fig. 3 und 4 machen wiederum den Unterschied zwischen dem Stand
der Technik und der Erfindung deutlich. Sie lassen den Verlauf der
Austrittskante 3.1 einer Leitschaufel sowie der Eintrittskante 2.1 einer
Laufradschaufel erkennen.
Claims (6)
1. Hydraulische Strömungsmaschine;
- 1. 1.1 mit einem Laufrad (2), das eine Vielzahl von Laufschaufeln aufweist;
- 2. 1.2 mit einem Leitapparat (3), der eine Vielzahl von Leitschaufeln aufweist;
- 3. 1.3 die Leitschaufeln sind jeweils um eine Drehachse (3.4) verdrehbar;
- 4. 1.4 die Austrittskante (3.1) einer jeden Leitschaufel - bei gradlinigem Kantenverlauf - beziehungsweise die Verbindungslinie zwischen den Endpunkten einer jeden Austrittskante (3.1) - bei gekrümmtem Kantenverlauf - ist zur Leitschaufel-Drehachse geneigt.
2. Hydraulische Strömungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schaufeln von Leitrad und Laufrad derart
gestaltet sind, daß die Austrittskanten der Leitschaufeln und die
Eintrittskanten der Laufschaufeln - in einem Meridianschnitt gesehen -
bei einer Leitschaufelöffnung weitgehend parallel zueinander verlaufen.
3. Hydraulische Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Austrittskanten der Leitschaufeln und die
Eintrittskanten der Laufschaufeln so nahe beieinander liegen, wie dies
der Umlauf des Laufrades zuläßt.
4. Hydraulische Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Austrittskante einer jeden
Leitschaufel und die Kontur der Eintrittskante einer jeden Laufschaufel -
in einem Meridianschnitt gesehen - einander geometrisch ähnlich sind.
5. Hydraulische Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß dem Leitapparat (3) ein Traversenring (4)
vorgeschaltet ist, und daß die Traversen-Eintrittskante I-J räumlich
gekrümmt ist.
6. Hydraulische Strömungsmaschine nach Ansprung 5, dadurch
gekennzeichnet, daß die Traversen-Austrittskante (4.1) zur Leitschaufel-
Eintrittskante (3.2) windschief angeordnet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19950228A DE19950228A1 (de) | 1999-10-19 | 1999-10-19 | Hydraulische Strömungsmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19950228A DE19950228A1 (de) | 1999-10-19 | 1999-10-19 | Hydraulische Strömungsmaschine |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19950228A1 true DE19950228A1 (de) | 2000-11-16 |
Family
ID=7926094
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19950228A Withdrawn DE19950228A1 (de) | 1999-10-19 | 1999-10-19 | Hydraulische Strömungsmaschine |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19950228A1 (de) |
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Legal Events
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