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Spiralgehäuse für Niederdruck-Kaplanturbinen
Bei Kaplanturbinen wird die am Eintritt in die Einlaufkammer herrschende gleichförmige, geradlinige
Strömung mittels einer Leitvorrichtung in eine Drallströmung umgewandelt. Um dabei eine möglichst stationäre relative Umströmung der Laufradschaufeln zu erhalten, sollte diese Drallströmung vor dem
Eintritt in das Laufrad eine weitgehend vollständige Rotationssymmetrie aufweisen. Je stationärer die re- lative Umströmung der Laufradschaufeln ist, umso gleichmässiger ist die Belastung bzw. Beaufschlagung aller Schaufeln, umso ruhiger der Gang der Turbine und umso besser der Wirkungsgrad bei relativ kleinen Hauptabmessungen.
Die Regulierung des Dralls in Abhängigkeit von der Leistung bzw. von der Durchflussmenge wird in der
Regel mittels verstellbarer Leitschaufeln eines sogenannten Fink'schen Leitapparates erreicht. Da diese Leitschaufeln zur Ermöglichung einer einfachen und billigen Konstruktion alle die gleiche Form und jeweils auch die gleiche Stellung (den gleichen Anstellwinkel) aufweisen sollen, ergibt es sich von selbst, dass die obengenannte Forderung nach einer rotationssymmetrischen Zuströmung schon am Eintritt in den Leitapparat erfüllt sein muss ; denn nur so kann bei gleicher Wirkung sämtlicher Leitschaufeln eine ro- tationssymmetrische Zuströmung zu den Laufradschaufeln erzeugt werden.
Bei Kaplanturbinen mittlerer Leistung dient zur Umwandlung der gleichförmigen, geradlinigen Strömung in der Einlaufkammer in eine rotationssymmetrische Strömung unmittelbar vor dem Fink'schen Leitapparat eine insgesamt als Halbspirale bezeichnete Zulaufeinrichtung, die aus einem dem Durchmesser der Turbine entsprechend breiten Zulaufkanal (Einlaufkammer), einer an diesen Kanal sich anschliessenden halben Spirale, einem am hinteren Ende der Halbspirale zwischen dieser und dem Zulaufkanal liegenden Sporn und einer Anzahl von feststehenden achsparallelen Stätzschaufeln besteht. Diese Halbspiralen erfüllen in ihrer herkömmlichen Gestaltung, u. zw. hinsichtlich der Form und der Anordnung der Stützschaufeln, hinsichtlich der Ausbildung des Sporns und der Halbspirale nicht die Forderung nach einer vollständigen rotationssymmetrischen Zuströmung zum Leitapparat der Turbine.
Da es nämlich bisher nicht möglich war, die komplizierten Strömungsvorgänge mit genügender Genauigkeit rechnerisch zu erfassen, konnte man auch die Formen und Abmessungen der Stiltzschaufeln, des Sporns und der Halbspirale selbst nicht richtig angeben. Man war vielmehr stets auf gewisse Annahmen und Versuche angewiesen, die nur eine gewisse Annäherung an die richtige Form bringen konnten.
Dem Erfinder ist es nunmehr aber gelungen, eine zwar schwierige, aber weitgehend exakte drei-dimensionale Berechnungsmethode für solche Strömungen zu finden, die es ermöglicht, die geometrischen Formen einer solchen Halbspirale mit einer grossen Genauigkeit anzugeben. Der Erfinder ging dabei von der Erkenntnis aus, dass die in der Fachliteratur und in der Praxis weitverbreitete Annahme falsch ist, dass die in Spiralgehäusen üblicher Ausführung sich bildende Drallströmung mit ausreichender Genauigkeit denDrallsatz "cu. r = : konstant" erfüllt, also die Bedingung, dass das Produkt aus Umfangsgeschwindigkeit mal Radius an allen Stellen angenähert gleich ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Bedingung bei bekannten
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Halbspirale und den Stützschaufeln anderseits Rechnung getragen werden muss.
Die Erfindung besteht somit in der Angabe einer neuen Spiralgehäuseform, die es gestattet, die obengenannte vollständige Rotationssymmetrie und damit die den vorgegebenen Verhältnissen entsprechend günstigste Turbinenform hinsichtlich Grösse, Wirkungsgrad und Laufruhe zu erhalten.
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Gemäss der Erfindung ist in erster Linie der Sporn, dessen Lage weitgehend durch-die gegebenen Verhältnisse bestimmt wird, nicht als kurze keilförmige Nase, sondern im Gegensatz zu allen bisher bekannten Formen als sehr schlanker Dom auszubilden, u. zw. soll der Sporn mindestens zehnmal so lang wie seine mittlere Dicke (s) und ausserdem über dem grössten Teil seiner Länge angenähert parallelwandig (mit konstanter Dicke) ausgebildet sein. Gleichzeitig sind die auf der Einlaufseite am Sporn anschliessenden Stützschaufeln so auszubilden, dass sie eine starke Vergrösserung der Umfangskomponente der Strömung ergeben, beispielsweise als stark gewölbte Schaufeln.
Die Angabe, dass die Länge des Sporns mindestens zehnmal der mittleren Dicke sein soD stellt dabei etwa die untere Grenze dar, mit der sich bereits eine wesentliche Verbesserung erzielen lässt. Die Verhältnisse werden jedoch noch günstiger, wenn der Sporn noch schlanker, u. zw. mit einer Länge bis zu maximal etwa 25. s, vorzugsweise mit einer Länge von etwa 20. s ausgebildet wird. Dabei ist der Sporn, wie an sich bekannt, gegen das hintere Ende der Halbspirale zu etwas konvex gekrümmt. Ausserdem geht er auf seiner Aussenseite mit einer Ausrundung, die ausserhalb der genannten Länge von (10 bis 25). s liegt, in die Wand der Einlaufkammer über.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die auf der Einlaufseite am Sporn anschliessenden
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einer 2-bis 3-fachen Länge. Eine andere Möglichkeit besteht darin, diese Stützschaufeln mit wesentlich stärkerer Wölbung auszuführen als die übrigen, u. zw. soll dabei die Wölbung wenigstens der ersten beiden Stützschaufeln so stark wie bei sogenanntenHakenschaufeln gewählt werdenjn an sich bekannter Weise wird
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Stützschaufel alslungsabstand vor der nächsten eingesetzt.
Die Wölbung der ersten vor dem Sporn liegenden Stützschaufel und die Ausrundung, mit der die Ein- laufkammer in den Sporn übergeht, sind dabei so aufeinander abzustimmen, dass sich zwischen dieser
Ausrundung und der ersten Stützschaufel und entsprechend. zwischen dieser und der nächsten Stützschaufel allmählich verjüngende, düsenartige Kanäle ergeben.
Besonders günstige Verhältnisse lassen sich erzielen, wenn die am Sporn anschliessenden vorderen
Stützschaufeln sowohl mit grösserer Länge als auch mit grösserer Wölbung als die übrigen Stützschaufeln ausgebildet werden, und wenn nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Stützschaufeln vom Sporn an in ihrer Länge und in ihrer Wölbung allmählich bis zu der etwas rechts von der vertikalen Mittelebene liegenden neutralen, also nur mit ganz schwacher Wölbung ausgeführten Stützschaufeln abnehmen. Von hier an kann die Wölbung in der entgegengesetzten Richtung wieder etwas zunehmen, so dass die weiteren Stützschaufeln eine negative Wölbung aufweisen.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist es zweckmässig, zusätzlich zu den obengenannten Merkmalen auch dem Flächenverlauf der Halbspirale selbst bestimmte Formen zu geben, u. zw. soll die seitliche Wandung der eigentlichen Halbspirale so geformt werden, dass die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Strömung vom Eintrittsquerschnitt (Querebene durch die Turbinenachse) an, bis zu dem etwa 900 (Umfangswinkel) weiter hinten liegenden Querschnitt zunimmt, dann über einen Umfangsbereich von etwa 45 allmählich abnimmt, und dass im letzten Teil etwa im Umfangsbereich von 30 bis 400 nochmals eine wesentliche Beschleunigung eintritt.
Eine weitere Verbesserung lässt sich erzielen, wenn die Einlaufkammer sowohl auf der in die Halbspiralenwand übergehenden Seite als auch auf der zum Sporn führenden Wand zunächst eine konvexe und dann eine konkave Krümmung aufweist.
Wie sich aus obigen Ausführungen ergibt, ist die Form des Sporns und der auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegenden Stützschaufeln von ausschlaggebender Bedeutung für die Erzielung einer möglichst völlig rotationssymmetrischen Strömung. Dabei sind weitere Verbesserungen durch die richtige Formgebung der Seitenwände der Einlaufkammer und der Halbspirale zu erzielen. Schliesslich ist aber auch noch auf eine richtige Formgebung von Boden und Decke der Einlaufkammer zu achten. Diese sollen nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung so geformt bzw. im Querschnitt gesehen sich einander nähernd ausgebildet sein, dass sich eine für die Wirkung der Stützschaufel genügende Einschnürung der Strömung ergibt.
Boden und Decke sollen also zusammen insbesondere im Bereich des Sporns bzw. richtiger im Zulaufbereich zur vorderen Spomseite einen düsenartigen Einlauf zu dem Stützschaufelraum ergeben, u. zw. in der Weise, dass wenigstens eine der beiden Flächen, vorzugsweise aber beide vor den Stützschaufeln konvex ausgebildet sind.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen horizontalen Längsschnitt durch das gesamte Spiralgehäuse einschliesslich Einlaufkammer, Fig. 2 vertikale Querschnitte durch die eigentliche Halbspirale und Fig. 3 einen vertikalen Schnitt entlang der Linie A-A-A- in Fig. 1.
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Die Einlaufkammer 1, in die das Betriebswasser in der durch den Pfeil 2 angedeuteten Richtung gleichförmig und geradlinig einströmt, weist beiderseits im Bereich 3 und 4 zunächst eine konvexe Wandung auf, an die sich auf der Spiralseite ein konkaver Wandteil 5 und auf der Spomseite ein konkaver Wandteil 6 mit starker Krümmung anschliesst. Bei dem durch den Buchstaben i gekennzeichneten Querschnitt. schliesst sich an die Einlaufkammer der erste Teil der eigentlichen Halbspirale 7 an, der vom Querschnitt i bis etwa zum Querschnitt e so geformt ist, dass sich eine Zunahme der mittleren Umfangsgeschwindigkeit ergibt.
Im weiteren Verlauf ist die Halbspirale etwa vom Querschnitt e bis zum Querschnitt c so geformt, dass sich in diesem Bereich eine allmähliche aber nicht wesentliche Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit ergibt, und in dem Bereich vom Querschnitt c bis zum Querschnitt a so, dass dort eine rasche, wesentliche Beschleunigung der Strömung eintritt.
Der Sporn 8 hat, wie die Fig. 1 erkennen lässt, eine sehr schlanke Form, die eine über ihre wesentliche Länge angenähert konstante Dicke aufweist, wobei die Länge in dem gezeigten Ausführungsbeispiel angenähert der 15-fachen mittleren Dicke des Sporns entspricht. Ausserhalb dieses Bereiches angenähert konstanter Dicke geht der Sporn in einer scharfen Rundung in die Einlaufkammer bzw. deren konkaven Teil 6 über.
Die Stützschaufeln sind, angefangen von der ersten zusätzlichen Zwischenstützschaufel 9 fortlaufend bis 20 nummeriert. Die erste Zwischenstützschaufel und die Stützschaufeln 10 und 11 sind stark gewölbt, u. zw. die Stützschaufel 9 am stärksten und die folgenden Stützschaufeln jeweils weniger stark bis zur
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Die auf der Seite der Einlaufkammer liegenden Stützschaufeln 9-13 vergrössern die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit ; es sind also sogenannte Pumpenstutzschaufeln. Dabei hat die am Sporn anschliessende Stützschaufel 9 mit der grössten Länge und der stärksten Wölbung, die grösste hydrodynamische Belastung. Die letzte Pumpenstützschaufel 13 trägt nur noch eine geringe hydrodynamische Belastung, die unter Umständen bis auf Null vermindert werden kann. Deshalb entspricht die Form der Mittellinie des Profils dieser Stützschaufel ungefähr der Form der örtlichen Stromlinie der von dieser Stützschaufel nicht gestörten Strömung.
Bei grösseren Fallhöhen und bei grösseren Werten der Eintrittsgeschwindigkeit in der Einlaufkammer kann es zweckmässig sein, zwischen den Stützschaufeln 10 und 11 noch eine weitere zusätzliche Stützschaufel anzuordnen, um damit die Rotationssymmetrie der Zuströmung zu den Leitschaufeln zu verbessern.
Die folgenden Stützschaufeln 14-20 sind negativ gewölbt, u. zw. von der Stützschaufel 14 mit zunehmend stärkerer, jedoch im Vergleich zu den Stützschaufeln 9-11 kleiner Wölbung, da sie hydrodynamisch wesentlich geringer belastet sind als diese.
In Fig. 2 sind die vertikalen Querschnitte an den mit a bis i bezeichneten Stellen der Fig. 1 dargestellt.
Fig. 3 zeigt die Ausbildung des Bodens 21 und der Decke 22, die vor dem Stützschaufelraum je eine konvexe Form aufweisen und so einen düsenförmigen Zulauf zum Stützschaufelraum ergeben.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Spiralgehäuse für Niederdruck-Kaplanturbinen, bestehend aus einer Einlaufkammer, einer anschliessenden Halbspirale, einem zwischen Einlaufkammer und Halbspirale liegenden Sporn und einem Kranz von feststehenden Stützschaufeln, dadurch gekennzeichnet, dass der Sporn (8) als schlanker Dorn ausgebildet ist, mit einer Länge von 10 bis 25, vorzugsweise etwa 20mal seiner mittleren Dicke (s) und mit einer über den grössten Teil seiner Länge sich erstreckenden angenäherf konstantendicke, und dass ausserdem die auf der Einlaufseite am Sporn anschliessenden Stützschaufeln (9-11) so ausgebildet sind, dass sie eine starke Vergrösserung der Umfangskomponente der Strömung ergeben.