DE2336317C3 - Laufrad einer Pumpenturbine der Francis-Bauart - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad einer Pumpenturbine der Francis-Bauart mit einer Mehrzahl von weiteren, mit umlaufenden und radial außen liegenden Verstellschaufeln, deren Verstelldrehachsen parallel zur Rotationsachse des Laufrades verlaufen und dir in der Pumpenbetriebsstellung die zugehörigen festen Schaufeln verlängern, während sie im Turbinenbetrieb keine Strömungsumlenkung bewirken. Ein Laufrad dieser Bauart ist aus der US-PS 26 71 635 bekannt

Laufräder dieser Bauart werden verwendet in umkehrbaren Pumpenturbinen von Pumpspeicherkraftwerken zur Erzielung von optimalen Wirkungsgraden. Sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb muß das Laufrad während des Pumpbetriebs entweder eine höhere Drehzahl oder einen größeren Durchmesser aufweisen. Die vorstehend genannte bekannte Bauart erlaubt es, zur Umstellung auf den Pumpbetrieb den wirksamen Durchmesser des Laufrades zu erhöhen.

Gegenüber einer Vielzahl von andersartigen konstuktiven Lösungen dieses Problems hat die vorstehend betrachtete bekannte Bauart den Vorteil, daß nur eine das Laufrad selbst betreffende Umstellung vorgenommen werden muß, um den für den jeweiligen Betrieb günstigsten Laufraddurchmesser wirksam zu machen.

Bei der bekannten Ausbildung fällt die Verstelldrehachse jeder Verstellschaufel mit deren einem Profilende zusammen, so daß auf diese Achse und auf deren Antriebskinematik erhebliche Drehmomente bzw. Kräfte wirken. Dies ist vor allem deswegen nachteilig, weil die hohen Belastungen zu einer entsprechend starken Dimensionierung insbesondere der Lagerwelle oder der Lagerzapfen zwingen. Die dadurch notwendigen Verdickungen wirken sich ungünstig auf eine ungestörte Umströmung aus und erhöhen die hydraulischen Verluste.

In gleichem Sinne wirkt ein weiterer Nachteil, der damit zusammenhängt, daß bei der bekannten Ausbildung die Verstellschaufeln aus der einen Betriebsstellung in die andere um 180° gedreht werden müssen. Um diese volle Halbdrehung zuzulassen, muß der radiale Strömungskanal der Maschine entsprechend lang sein, nämlich mindestens die doppelte Länge des Profils cjer Verstellschaufeln aufweisen. Auch hierdurch ergeben sich Strömungsyerluste,

Schließlich ist die bekannten Ausbildung noch dadurch nachteilig, daß sie im Turbinenbetrieb ihre keine Strömungsumlenkung bewirkende Stellung dadurch einnehmen, daß sie an den vorderen Abschnitt der starren Laufschaufeln in eine entsprechende Ausnehmung angelegt werden und sich gewissermaßen in dessen Strömungsschatten befinden. Dadurch ergeben sich in beiden Betriebsstellungen ungünstige Profilformen, die zu erhöhten Verlusten führen.

Zusammengefaßt laufen die Nachteile der bekannten Konstruktion also darauf hinaus, daß mit erhöhten Verlusten zu rechnen ist, und zwar wegen der dicken Lagerkonstruktion sowie deswegen, daß in keinem Betriebszustand ein glattes, geschlossenes Profil vorhanden ist, sondern immer Übergangsstellen und Spalte, die zu Verwirbelungen führen müssen. Gerade im

μ Turbinenbetrieb besteht bei der bekannten Ausbildung wegen dieser Unvollkommenheiten des aus zwei

Teilelementen bestehenden Profils die Gefahr der Strömungsablösung. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter

Vermeidung der beschriebenen Nachteile das Laufrad einer Pumpenturbine der Francis-Bauart so auszubilden, daß bei einfacher und verhältnismäßig leichter Konstruktion die auftretenden Strömungsverluste niedrig bleiben.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Ausbildung wird zur Lösung dieser Aufgabe erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Drehachse jede Verstellschaufel etwa in deren Mitte in der Nähe des Druckmittelpunktes liegt und daß ihr Profil in der Turbinenbetriebsstel- lung mit der Richtung der freien Stromlinien zusammenfällt Durch diese Ausbildung bleiben die auf die Drehachse wirkenden Drehmomente und damit die auf die Verstellkinematik wirkenden Kräfte gering, und es kann Jie Verstellschaufel leicht ein strömungsgünstiges ProF.i erhalten. In gleichem Sinn,-: wirk«, der Umstand, daß der Verstellwinkel zwischen den leiden Betriebsstellungen klein bleibt.

Es kann zweckmäßig sein, die Zahl der Verstellschaufeln so zu wählen, daß mit diesen der Strömungsweg völlig absperrbar ist Durch eine solche Ausbildung wird es mögllich, die Pumpenturbine völlig abzusperren und in bestimmten Fällen auf einen Leitapparat zu verzichten.

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, wenn die Zahl

so der Verstellschaufeln geringer ist als die Zahl der unbeweglichen Schaufeln. Diese Ausbildung hat gewichts- und festigkeitsmäßige Vorteile und führt, soweit die Strömungsbeeinflussung ausreichend bleibt, auch zu einer Verringerung der Reibungsverluste.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erfindungsgemäßes Laufrad einer umkehrbaren Francis-Pumpenturbine im Längsschnitt,

Fig.2 einen Antrieb der Verstellschaufeln durch einen Kreissegment-Stellmotor,

F i g. 3 die Stellung der Schaufeln der Pumpenturbine im Turbinenbetrieb, bei welchem die Verstellschaufeln eine Stellung arbeitsunwirksamer Umströmung einneh men,

F i g. 4 die Stellung der Schaufeln der Pumpenturbine im Pumpbetrieb, bei welchem die Verstellschaufeln als Fortsetzung der unbeweglichen Schaufeln des Laufra-

des wirken,

Fig,5 die Kennlinien for die Abhängigkeit des Wirkungsgrades {η) von der Leistung (/V einer üblichen Wasserturbine im Vergleich zu einer Wasserturbine mit erfindungsgemäßem Laufrad,

Fig.6 die Kennlinien für die Abhängigkeit der Förderhöhe H von der Durchlaufmenge Q für eine übliche Radialpumpe sowie für eine Maschine mit erfindungsgemäßem Laufrad.

Das Laufrad der in Fi g. 1 dargestellten umkehrbaren Pumpenturbine der Francis-Bauart hat unbewegliche Schaufeln 1, deren Außendurchmesser durch die Verhältnisse des Turbinenbetriebes vorgegeben ist Die unbeweglichen Schaufeln 1 sind mit sechs Verstellschaufeln 2 versehen, welche zwischen dem Laufradboden 3 und dem Laufradkranz 4 angeordnet sind. Die Verstelldrehachse der Verstellschaufel 2 ist gebildet durch Zapfen 7, die etwa in der Mitte der Profilsehne in der Nähe des Druckmittelpunktes gelegen sind. Der Außendurchmesser der Verstellschaufeln 2 wird ausgehend von den Verhältnissen während des Pumpbetriebes gewählt

Radial außen ist das Laufrad umgeben von verstellbaren Leitschaufeln 5 und Stützschaufeln 6.

Der Verstellantrieb der Verstellschaufeln 2 besteht aus einer Kurbel 8 für jede Schaufel, die mit ihrem einen Ende starr am Ende des Zapfens 7 der zugehörigen Verstellschaufel 2, der über den Laufradboden 3 vorspringt, befestigt ist und an deren anderem Ende ein Bügel 9 angelenkt ist, der mit seinem freien Ende am Umfang 10 angelenkt ist Diese mitumlaufenden Teile, nämlich der Zapfen 7, die Kurbel 8, der Bügel 9 und der Regelring 10 sind durch einen Deckel 11 abgedeckt, um Verwirbelungsverluste im Raum zwischen dem Deckel 12 der Pumpenturbine und dem Laufradbolzen 3 zu vermeiden. Gedreht wird der Regelring 10 durch einen beschaufelten Kreissegment-Stellmotor 13, mit welchem der Regelring 10 fest verbunden ist.

Der Stellmotor 13 befindet sich um eine Hohlwelle 14 der Pumpenturbine herum in ihrem unteren Teil unterhalb des Deckels 12 der Pumpenturbine. Die bezüglich des Stellmotors 13 koaxial angeordneten Druckmediumleitungen IS, 16 verlaufen innerhalb der Hohlwelle 14. Der eine Hohlraum 17 (Fig.2) des Kreissegment-Stellmotors 13 hat über die Leitung 18 mit der Leitung 15 Verbindung; der andere Hohlraum 19 ist über die Leitung 20 mit der Leitung 16 verbunden.

Eine Rückführung 21 (Fig. 1) verläuft zwischen der Innenwandung der Welle 14 und der Leitung 16. Die hohen Energiekennwerte der umkehrbaren Pumpenturbine in Francis-Bauart sind dank der Rückführung 21 möglich, die eine entsprechende Stellung der Schaufeln 5 des Leitappparates und der Verstellschaufeln 2 des Laufrades bewirkt Ein optimaler Zusammenhang zwischen den genannten Stellungen (kombinatorische Beziehung) während des Turbinenbetriebes wurde anhand von !Modellen ermittelt. Durch die Doppelregelungen, nämlich durch die Verstellung der Schaufeln 5 des Leitapparates und der Schaufeln 2 des Laufrades verbessern sich die Energiekennwerte der umkehrbaren Francis-Pumpenturbine hinsichtlich der Förderhöhe, steigt der Wirkungsgrad an und bei einer entsprechenden Auswahl der kombinatorischen Beziehung vermindert sich die dynamische Beanspruchung des Wasserstromes auf den Strömungsteil, d. h_H die Druckpulsation im Wasserstrom nimmt ?b, wodurch die Vibrationen der Pumpenturbine sowie die Ermüdungsbeanspruchung innerhalb des Deckels 12 der Pumpenturbine, der Schaufeln 5 des Leitapparates, des Laufrades usw, herabgesetzt werden,

Eine Verstellung der Schaufeln 2 des Laufrades trägt auch dazu bei, daß das Anfahrmoment des Laufrades beachtlich vermindert und damit das elektrische Anlassen des Aggregates für den Pumpbeitrieb erleichtert wird. Darüber hinaus können die Leitschaufeln 5 und die Verstellschaufeln 2 des Laufrades so eingestellt werden, daß ein hydraulisches Anfahren der Pumpen-

turbine zustande kommt, d. h. das Laufrad bei der für den Turbinenbetrieb kennzeichnenden Strömung radial nach innen und die Laufschaufeln 1 nach unten verlassend, in der für den Pumpbetrieb kennzeichnenden Drehrichtung rotiert.

Die Zahl und die Abmessungen der Verstellschaufeln 2 des Laufrades können so gewählt sein, daß durch sie bei entsprechender Einstellung der Strömungsweg völlig abgesperrt wird, so daß die Verstellschaufel die Funktion eines Höchstdrehzahlbegrenzers übernehmen können und demgemäß der Leitapparat in einer Reihe von Fällen wegfallen kann.

Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Zahl der Verstellschaufeln 2 kleiner zu wählen als die Zahl der starr befestigten Schaufeln 1 des Laufrades, wenn dies aus Gewichts- und Festigkeitsgründen sowie unter dem Gesichtspunkt der Reibungsverluste geboten erscheint und dennoch eine ausreichende Strömungswirksamkeit gewährleistet bleibt.

Der Turbinenbetrieb der beschriebenen Pumpenturbine verläuft wie folgt:

Der Drehsinn des Laufrades im Pumpbetrieb gemäß F i g. 3 ist mit Pfeil A angegeben. Von einer Druckquelle gelangt das Druckmedium über die Leitungen 15 und 18 in die Hohlräume 17 des Kreissegment-Stellmotors. Der Stellmotor 13 erfährt eine Drehung bezüglich der Welle 14 der Pumpenturbine. Dabei wird das in den Hohlräumen 19 des Stellmotors 13 befindliche Medium über die Leitungen 20 und 16 in einen Rücklaufbehälter verdrängt. Der Regelring 10, der fest mit dem Stellmotor 13 verbunden ist, dreht sich bezüglich der Welle 14 der Pumpenturbine und verschwenkt über die Bügel d die Kurbeln 8, die aufgrund ihrer starren Verbindung mit den Zapfen 7 die Verstellschaufeln 2 verstellen. Diese werden dabei in eine Stellung arbeitsunwirksamer Umströmung gedreht, in der ihr Profil mit der Richtung der freien Stromlinien zusammenfällt. Diese Stellung ist in F i g. 3 gezeigt

Eine hinsichtlich des Wirkungsgrades optimale Abhängigkeit zwischen dem Versteliwinkel der Schaufein 2 und dem Umlenkwinkel der Schaufeln 5 des Leitapparates wird dank der Rückführung 21 erzielt, wie das in der Regel bei den Wasserturbinen mit Doppelregelsystem der Fall ist
Der P'jinpbetrieb verläuft wie folgt:

Der Drehsinn des Laufrades im Pumpbetrieb gemäß Fig.4 ist mit Pfeil BMarkiert. Die Verstellschaufel 2 sind dabei so eingestellt, daß sie als Fortsetzung der starr befestigten Laufschaufeln 1 wirken. Die Verstellung der Schaufeln 2 in diese Lage geschieht ebenfalls durch den Kreissegment-Stellmotor 13, wobei das Druckmedium in die Hohlräume 19 über die Leitungen 16 und 20 gelangt, während das Medium aus den Hohlräumen 17 über die Leitungen 18 und 15 in den Rücklaufbehälter verdrängt wird.

Die mit einer Purrpenlurbine der vorliegenden Bauart erreichbaren Wirkungsgrade ergeben sich aus V i g. 5, in der die Wirkungsgrade η über die Leistung P aufgetragen sind. Die ausgezogene Kurve zeigt den

Verlauf für herkömmliche Francis-Wasserturbinen ohne Verstellschaufeln. Die gestrichelten Kurven zeigen den Verlauf für Maschinen der vorliegenden Bauart bei einer bestimmten Verstellschaufeleinstellung. Die strichpunktierte Einhüllende dieser Kurven hat einen wesentlich flacheren Verlauf und besagt, daß optimale Wirkungsgrade in einem wesentlich größeren Leistungsbereich erhalten werden. So kann, wie gezeigt, ein Wirkungsgrad von über 87% durch entsprechende Einstellung der Verstellschaufeln in dem weiten Bereich C erzielt werden, während dies bei herkömmlicher Bauart nur im engeren Bereich Dder Fall ist.

In Fig. 6 zeigt die ausgezogene Linie die Abhängigkeit der Förderhöhe A/ von der Durchlaufmenge Q für eine übliche Radialpumpe mit festem Winkel ß. Die strichpunktierten Linien zeigen die Abhängigkeit der Förderhöhe von der Durchlaufmenge der mit dem vorliegenden Laufrad ausgerüsteten Maschine im Pumpbetrieb, wenn sich der Winkel β um einen Wert von + Δ β verändert.

Bei gleicher Drehgeschwindigkeit des Laufrades kann to somit die Durchlaufmenge durch eine Verstellung der Verstellschaufeln unter Aufrechterhaltung eines hohen Wirkungsgrades geändert werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche;

1. Laufrad einer Pumpenturbine der Francis-Bauart mit einer Mehrzahl von weiteren, mit umlaufenden radial außen liegenden Verstellschaufeln, deren Verstelldrehachsen parallel zur Rotationsachse des Laufrades verlaufen und die in der Pumpenbetriebsstellung die zugehörigen festen Schaufeln verlängern, während sie im Turbinenbetrieb keine Strömungsumlenkung bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse jeder Verstellschaufel (2) etwa in deren Mitte in der Nähe des Druckmittelpunktes liegt und daß ihr Profil in der Turbinenbetriebsstellung mit der Richtung der freien Stromlinien zusammenfällt

2. Laufrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Zahl der Verstellschaufeln (2), daß mit diesen der Strömungswiderstand völlig absperrbar ist.

3. Laufrad nacli Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahf der Verstellschaufeln (2) geringer ist als die Zahl der unbeweglichen Schaufeln (1).