DE4406338C2 - Doppelt gekrümmte Laufschaufel für Francis Wasserturbinen - Google Patents

Doppelt gekrümmte Laufschaufel für Francis Wasserturbinen

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Description

Bei der Abb. 8 in der Zeitschrift "Konstruktion" 3. (1951) Heft 9 handelt es sich um ein Halbaxiallaufrad, demgegenüber stellt Fig. 4 der Erfindung ein Radiallaufrad n = 60 min dar. Die Laufschaufel ist zwar doppelt gekrümmt, jedoch ist die Krümmungsrichtung in bezug auf die Drehrichtung entgegengesetzt zur erfindungsgemäßen Konstruktion. Außerdem ist eine Profilierung der Laufschaufel nicht zu erkennen. Es besteht somit keine geometrische und damit auch keine kinematische Ähnlichkeit zwischen der Abb. 8 und der erfindungsgemäßen Konstruktion.
Die Einbauten im Saugrohr der US 23 748 dienen allein dem Zweck die Rotation und die damit verbundene Kavitation im Saugrohr zu reduzieren, da dies zu Lärmentwicklung und Strömungsverlusten führt. Eine Wirkung der Einbauten im Saugrohr bezgl. Drehmoment und Drehzahl des Laufrades ist im Text nicht erwähnt. Bedingt durch den großen Abstand der Vorderkante der Leitbleche von der Saugkante des Laufrades, ist eine Kraftwirkung auf Letzteres fast ausgeschlossen, siehe US 23 748, Fig. 1.
Dem Anmeldungsgegenstand soll die Aufgabe zugrundeliegen, eine Francis-Turbine zu entwickeln, mit der ein besserer hydraulischer Wirkungsgrad erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Idee der Erfindung beruht darauf, daß ein Radiallaufrad einer Francisturbine von außen nach innen durchströmt wird. Bewegt sich nun in diesem rotierenden Bezugssystem (Laufrad) ein Körper (Wasser) nach innen, so erfährt er tangential eine Beschleunigung, deren Ursache die Coriolis-Kraft ist.
Wenn v = c konstante Radialgeschwindigkeit des Wassers,
ω Winkelgeschwindigkeit des Laufrads,
dann gilt: Während der Körper den Weg r = vt zurücklegt, bewegt sich ein Punkt im Abstand r vom Drehzentrum um die Strecke s = rωt fort, also
s = vtωt = vωt².
Diese Gleichung ergibt nun die Krümmung am Schaufelanfang, siehe Fig. 1. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher Kraftimpuls in Laufraddrehrichtung. Bedingt durch die stärkere Krümmung und eine flügelähnliche Profilgestaltung der Laufschaufel entsteht eine größere Druckdifferenz zwischen Schaufelvorderseite und -rückseite und damit ein höheres Drehmoment. Querschnitte durch die Strömungskanäle des Laufrades ergeben entlang der Symetrieachse verdrehte Trapezflächen.
Der Vorteil einer Leiteinrichtung im Saugrohr, die eine Zirkulation des abströmenden Wassers verhindert, besteht darin, daß sich das Anfahrmoment erhöht. Weitere Vorteile sind ein höheres Vollastmoment und eine Reduzierung der Durchgangsdrehzahl, da in diesem Fall die Zirkulation in Laufraddrehrichtung erfolgt, wirken die Leitbleche bremsend.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigt
Fig. 1 und 2 Konstruktion der Schaufelkontur im Grundriß aus Kegelabwicklungen.
Fig. 3 Zeichnung der Laufschaufel und Leitschaufelprofile in der Draufsicht.
Fig. 4 Zeichnung der Turbine mit Sauggehäuse in der Seitenansicht geschnitten.
Fig. 5 Zeichnung des Sauggehäuses mit Leitblechen.
Die in der Fig. 1 benutzten Bezeichnungen 1a bis 5a beziehen sich auf eine gleichmäßige Einteilung der Kegelabwicklungen, wobei der Index a für Kegelabwicklung des Laufradkranzes, m für Kegelabwicklung der mittleren Stromfläche und i für Kegelabwicklung der Innenseite des Laufrads steht. Die Bezeichnung rm₁ bedeutet Radius des Berührungskegels der mittleren Stromfläche. Die Fig. 2 zeigt 1 Schaufel des Laufrads im Grundriß. Die Linie a zeigt die Schaufelsaugseite auf dem Laufradkranz, Linie m zeigt sie in der Mitte der Stromfläche und Linie i zeigt sie auf der Innenseite des Laufrads.

Claims (2)

1. Francis-Turbine mit in der Kegelabwicklung s-förmigem Verlauf der Schaufelkontur des Laufrades, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß die saugseitige Kontur der Laufschaufel in der Kegelabwicklung in einem Bereich nach der Eintrittskante vorwärts gekrümmt ist und der Gleichung s = vωt² entspricht, wobei in zeitlichen Schritten auf einer Kegelmantellinie abgetragen, die Strecke s jeweils der Abstand der saugseitigen Kontur von einer Kegelmantellinie ist, die von der Eintrittskante zur Kegelspitze führt,
  • b) daß die Kontur dieses Bereiches über einen Wendepunkt in die rückwärts gerichtete Kontur übergeht, die für einen drallfreien Austritt erforderlich ist,
  • c) daß die saugseitige Kontur zusammen mit der druckseitigen Kontur ein etwa flügelähnliches Profil der Laufschaufel ergibt.
2. Francis-Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß am Umfang des Saugrohres Leitbleche angeordnet sind, die eine Zirkulation des abströmenden Wassers verhindern.
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