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Aus einem Kranz von hohlen Leitschaufeln bestehender
Leitapparat für Strömungsmaschinen
Bei Strömungsmaschinen, insbesondere Kaplan- und Francisturbinen, wird ganz allgemein das Be- triebswasser dem Laufrad über einen sogenannten Fink'schen Leitapparat zugeführt, dessen Leitschaufeln von Hand oder mittels einer automatischen Betätigung um ihre Achse gedreht werden können. Hiedurch kann der Zustrom von einem Maximum bis auf Null bzw. bis auf ein Minimum an Leckwasser geändert werden.
Ein gewisser Nachteil des Fink'schen Leitapparates ist darin zu sehen, dass die Leitschaufeln nur für eine einzige Stellung richtig entworfen werden können, so dass sie nur für diese Lage den richtigen Ein- trits-un Austrittswinkel aufweisen. In jeder andern Stellung ist die Form der Leitschaufeln nicht mehr optimal, was Störungen in der Strömung und damit eine Wirkungsgradverschlechterung zur Folge hat. Insbesondere entspricht jeder Leitschaufelstellung ein anderer Zuströmwinkel zum Laufrad, das für den Fall konstanter Drehzahl stets unter dem gleichen Winkel angeströmt werden sollte, sofern die Laufradschaufeln feststehend sind.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Fink'schen Leitschaufeln besteht darin, dass es nicht möglich ist, über diese Leitschaufeln bzw. deren Drehzapfen in Richtung der Zapfenachse von einer Seite des Strömungskanales auf die andere, Kräfte zu übertragen. Hiefür ist es vielmehr erforderlich, radial ausserhalb des Leitschaufelkranzes einen besonderen Kranz von feststehenden Stützschaufeln anzuordnen, durch die solche Kräfte übertragen werden. Dabei ist es besonders nachteilig, dass diese Stützschaufeln noch weiter von der Turbinenachse entfernt angeordnet werden müssen als die Leitschaufeln.
Ein weiterer Nachteil der Fink'schen Drehschaufelregelung in Verbindung mit feststehenden Stützschaufeln ist der, dass durch Verstellen der Leitschaufeln jeweils der Abströmwinkel und der Zuströmwinkel gleichzeitig festgelegt werden und dass der sich dabei ergebende Zuströmwinkel der Leitschaufeln nicht gleich ist dem Abströmwinkel der Stützschaufeln und infolgedessen keineswegs in jedem Betriebszustand der günstigste ist, was ebenfalls Störungen in der Strömung und Verschlechterung des Wirkungsgrades zur Folge hat.
Bei einer weiteren Ausführungsform von Leitapparaten in solchen Strömungsmaschinen, bei welcher die Leitschaufeln hohl und ferner die Seitenwände elastisch ausgebildet sind, wird der Zustrom des Betriebswassers zum Laufrad dadurch geregelt, dass infolge der durch Verdrehen der Profilnase und des verschiebbaren Profilschwanzes der Leitschaufeln entstehenden Krümmung der Durchströmquerschnitt zwischen den elastischen Seitenwänden der benachbarten Leitschaufeln variierbar ist. Jedoch weist auch eine derartige Leitschaufelausbildung den Nachteil auf, dass durch diese Krümmung und der damit bedingten Veränderung des Zu- und Abströmwinkels an solchen Leitschaufeln die Form der Leitschaufeln nicht mehr optimal ausfällt, was Störungen in der Strömung und damit eine Wirkungsgradverschlechterung zur Folge hat.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, diese Nachteile bekannter Ausführungen teilweise oder ganz zu vermeiden. Hienach wird vorgeschlagen, bei einem aus einem Kranz von hohlen Leitschaufeln bestehenden Leitapparat für Strömungsmaschinen zumRegeln der Zuflussmenge zum Laufrad die Leitschaufeln zu einem wesentlichen Teil mit elastisch verformbaren, erforderlichenfalls Versteifungen aufweisenden Wänden zu versehen und innerhalb der Hohlschaufeln mechanisch und/oder hydraulisch bzw. pneumatisch oder elektrisch wirkende Einrichtungen zum stetigen Verändern des Profils, insbesondere der Profildicke, unter Bei-
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behaltung eines gleichbleibenden Anstellwinkels anzuordnen.
Gemäss der Erfindung sollen also die Leit- schaufeln so ausgebildet werden, dass sie durch einen zwischen den Leitschaufelwänden jeder Leitschaufel angeordneten Verstellmechanismus derart verdickt werden, dass auf diese Weise der zwischen den Leit- schaufeln liegende Durchströmquerschnitt mehr und mehr verkleinert werden kann. Die Absperrung des
Strömungskanales erfolgt hiebei nicht mehr durch Verdrehen der Leitschaufeln aus einer Offenstellung in eine Schliessstellung, bei der jeweils das Austrittsende einer Leitschaufel nahe am Kopfende der näch- sten Leitschaufel anliegt bzw. durch Verdrehen der Profilnase und des verschieblichen Profilschwanzes, sondern unter Beibehaltung der durch die Schaufelmittellinie gegebenen Schaufelrichtung durch Verän- dern des Durchflussquerschnittes auf Grund einer Veränderung der Schaufeldicke.
Dabei kann die Aus- führung so gewählt werden, dass der Eintritts-und/oder Austrittsteil der Leitschaufeln in Richtung der Pro- filmittelebene verschiebbar angeordnet sind und dass zwischen dem Eintritts-und/oder Austrittsteil und der Strömungswand wenigstens eine Führung für die bei der Verstellung gleitenden, vorzugsweise aus
Stahlblech, Kunststoff oder kombinierten Materialien bestehenden Wände der Leitschaufeln vorgesehen ist. Dabei kann diese Führung für die Schaufelwände durch wenigstens eine den Strömungskanal durch- setzende Stütze gebildet sein.
Eine zweckmässige Ausführungsform für die Verstelleinrichtung wird durch eine zwischen den Leit- schaufelwänden jeder Schaufel angeordnete, mit an denLeitschaufelwänden anliegenden Nocke versehene, in den Strömungskanalwänden der Schaufeln drehbar gelagerte Verstellwelle erreicht, so dass bei einer
Verdrehung dieser Verstellwelle die verformbaren Wände durch die Nocke in ihrer Form verändert werden, gegebenenfalls unter gleichzeitiger Verkürzung der Profillänge. Dabei können die Ein-und/oder Austrittskanten der beiden Schaufelwände gelenkig oder elastisch miteinander verbunden sein.
Es ist aber auch möglich, die Ein-und/oder Austrittskante der Leitschaufeln durch ein bzw. je ein Profilstück zu bilden, an dem bzw. den die Seitenwände der Schaufeln beschränkt schwenkbÅar befestigt sind. Der Verstellhub der Nocke in bezug auf die eine und die andere Leitschaufelwand kann verschieden gross sein, so dass die Schaufeln bei Verdrehung der Verstellwelle auf der einen Profilseite stärker verdickt werden als auf der andern.
Eine andere zweckmässige Ausführungsform ergibt sich durch eine zwischen den Schaufelwänden angeordnete, in den Wänden des Strömungskanales gelagerte, mit einem Exzenter versehene Verstellwelle, deren Exzenter mit dem beweglichenEintritts-und/oder Austrittsteil verbunden ist, so dass bei Verstellung des Exzenters das Schaufelprofil verkürzt und dabei gleichzeitig in seiner Dicke verändert wird.
Eine weitere Möglichkeit zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens besteht darin, dass die Eintrittsund/oder Austrittskante der Leitschaufeln feststehend angeordnet und die Wände der Leitschaufeln durch eine die Ein- und Austrittskante und den Verstellmechanismus umhüllende Haut aus einem elastischen Stoff, Gummi od. dgl. gebildet sind, wobei zur Erzielung der gewünschten Form zwischen dem Verstellmechanismus und der elastischen Haut Stützbleche angeordnet werden können.
Besonders in dem zuletzt genannten Ausführungsfall kann der Verstellmechanismus aus einem aufpumpbaren, auf die elastische Aussenhaut einwirkenden Balgen od. dgl. bestehen.
Eine weitere Ausbildungsmöglichkeit besteht darin, dass die Wände der Leitschaufeln aus dehnbarem Material gebildet sind, das dicht an den Strömungskanalwänden anliegt, und dass die innerhalb der. Leitschaufeln gebildeten Räume zwecks Verdickung des Profils mit einer Druckleitung zum Aufpumpen in Verbindung stehen. Dabei kann unter Verwendung von Luft gleichzeitig auch eine Zufuhr von Frischluft in das Gewässer bewirkt werden, ohne dass hiefür besondere zusätzliche Mittel erforderlich sind.
In ähnlicher Weise ist auch bei den vorher genannten Ausführungsformen eine Belüftung des Wassers möglich derart, dass die Luftzuführungskanäle durch die feststehenden Teile der Leitschaufel geführt und wenigstens Teile der Leitschaufelaussenhaut mit Durchbrechungen ausgeführt oder aus porösem Material hergestellt werden.
Die Erfindung ist in der Zeichnung in einigen Ausführungsbeispielen dargestellt, u. zw. zeigt
Fig. 1 einen Ausschnitt eines Axialschnittes einer Francis-Turbinenanlage mit stehender Welle, Fig. 2 eine Draufsicht hiezu, Fig. 3 - 5 und 7 - 8 Querschnitte von erfindungsgemässen Leitschaufeln mit verschiedenartigen Ausführungen der Verstellmechanismen, Fig. 6a - c Profilquerschnitte der elastischen Seitenwände dieser Leitschaufeln, Fig. 9a einen Ausschnitt einer Draufsicht auf einen gebräuchlichen Leitapparat mit Fink'scher Drehschaufelregelung und Stützschaufeln und Fig. 9b einen Ausschnitt einer Draufsicht auf einen erfindungsgemässen Leitapparat.
Gemäss den Fig. 1 und 2 gelangt das den Einlaufkanal l (Einlaufspirale) einer Francis-Turbinenanlage durchströmende Betriebsmedium, im allgemeinen Wasser, zwischen den Leitschaufeln 2 zum Laufrad 3. Die Regulierung der Durchflussmenge wird hiebei dadurch erreicht, dass man mittels eines Ver-
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stellmechanismus, sei es mechanischer und/oder hydraulischer bzw. pneumatischer oder elektrischer Art, die Leitschaufeln 2 unter angenäherter Beibehaltung des Anstellwinkels verdickt, so dass sich der Durch- strömquerschnitt des zwischen benachbarten Leitschaufeln gebildeten Raumes mehr und mehr verengt, bis der Einlauf schliesslich vollständig abgesperrt ist.
Der Verstellmechanismus besteht bei der in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführung im wesentlichen aus dem zwischen feststehenden Stützen 8 liegenden Exzenter 4, der in den Kanalwänden der Einlaufspirale 1 drehbar gelagerten Verstellwelle 5 und dem ausserhalb der Einlauf- kammer 1 angeordneten Hebel 6, mit Hilfe dessen man den Exzenter in eine entsprechende Lage ein- schwenkt, wodurch die aus Stahlblech oder aus anderem elastischen Material gebildeten, um an den Stirn- seiten angeordnete Scharniere 7 beweglichen Wände 6a der Leitschaufeln auseinandergedrückt werden und somit den Strömungskanal zwischen den benachbarten Leitschaufeln des Leitapparates unter Beibehaltung eines wenigstens angenähert gleichbleibenden Anstellwinkels verengen bzw. ganz versperren.
In vollgeöff- netem Zustande der Leitschaufelkanäle kommen die elastischen Wände 6a an den zu ihrer Führung und gleichzeitig zur Übertragung von Kräften von einer Kanalseite zur andern dienenden Stützen 8 zur Anla- ge.
In den Fig. 3 - 5 und 7 - 8 sind Profilquerschnitte von erfindungsgemässen Leitschaufeln mit anders- artigen Verstellmechanismen zur Profilverdickung dargestellt. Fig. 3 zeigt einen Exzenter 9, der bei
Verdrehung mit Hilfe eines ihn umschlingenden Stahlbandes 10 und eines mit dem einen Ende am Stahl- band und mit dem andern an der Austrittskante des Profils befestigten, in der dieser Austrittskante benach- barten Stütze 12 gleitbar gelagerten Zugelementes 11 die Profilaustrittskante in Richtung zur Profilnase verschiebt und somit das mit der Stirnseite an der Stütze 13, beispielsweise durch Nieten, befestigte Pro- fil aufwölbt, so dass es die strichpunktierte Form annimmt.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Art der Profilän- derung wird eine dehnbare Haut 14, beispielsweise aus Gummi oder Kunststoff, mittels eines mit Rol- len 15a ausgestatteten Exzenters 15 und eines zwischen diesem und der Aussenhaut 15 befindlichen, an der hinteren Stütze 16 gleitend geführten Stahlbleches 17 aufgewölbt. Dabei bleibt die Profillänge un- verändert.
Die Fig. 5, 7 und 8 zeigen weitere Ausführungen des Verstellmechanismus, wobei die Profilverdickung mit Hilfe pneumatischer oder hydraulischer Mittel hergestellt wird. Nach Fig. 5 wird durch die feste Stütze 18 an der Profilnase Luft oder Wasser von ausserhalb des Leitapparates zugeführt und über einen Faltenbalg 19 einem dehnbaren Körper 20 (Blase) zugeleitet, welcher in aufgeblähtem Zustande mittels zweier etwa der Form des Profils angepasster Stahlstützbleche 21 einer elastischen, an ihren Enden von den Stützen 18, 22 festgehaltenen Aussenhaut 26 das entsprechende verdickte Profil geben. Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei feststehenden Stützen 23, 24 und einer diese umschlingenden, elastischen, mit Versteifungsstäben 25 ausgestatteten Aussenhaut 27.
Dabei wird die Luft oder das Wasser über diese Stützen dem Innenraum der Leitschaufeln zugeführt und dadurch die Aussenhaut aufgebläht. Ein ähnliches Beispiel zeigt Fig. 8. Hienach wird eine einzige einem Leitschaufelprofil angepasste Stütze 28 mit einer elastischen Haut 29 überzogen und im Bedarfsfalle mittels Druckluft oder Wasser entsprechend deren bzw. dessen Druck verdickt. Die Abdichtung der elastischen Leitschaufelwände gegenüber der Kanalwand kann mittels der in Fig. 6a, 6b und 6c gezeigten Aussenhauptprofilquerschnitte bewirkt werden. An die Seitenwände der aus Gummi oder Kunststoff gebildeten Aussenhaut 30 sind gemäss Fig. 6a Dichtleisten 31 beispielsweise mittels Kleben befestigt. Das Profil gemäss Fig. 6b ist vollständig aus Gummi oder Kunststoff hergestellt.
Fig. 6c zeigt ein Profil, das aus einem Stahlsteg aus Aussenhautseitenwand 32 und aus auf diesen aufgesetzten Gummi-oder Kunststoff-Dichtleisten 33 besteht. Will man bei Verwendung einer pneumatischen Profiländerungseinrichtung (19, 41, 42) gemäss den Fig. 5, 7 oder 8 diese gleichzeitig zur Gewässerbelüftung heranziehen, so fertigt man die elastische Blase 20 in Fig. 5 und die Seitenwände 27 bzw. 29 der Leitschaufeln in den Fig. 7 und 8 aus ganz oder stellenweise porösem Material an, verzichtet dabei eventuell auch auf eine gute Abdichtung, und führt somit dem Wasser sauerstoffreiche Luft zu.
Die Fig. 9a zeigt die bisherige Ausführungsform der Fink'schen Drehschaufelregelung mit schwenkbaren Leitschaufeln 34 und diesen vorgeschalteten, in einem Stützring angeordneten Stützschaufeln 35, durch welche Kräfte von der oberen Seite des Strömungskanals auf die untere übertragen werden. Dabei ist es besonders nachteilig, dass diese Stützschaufeln 35 noch weiter von der Turbinenachse entfernt angeordnet werden müssen als die Leitschaufeln 34 (Nachteil : zu grosser Aussendurchmesser). Bei der Fig. 9b mit einer erfindungsgemässen Leitschaufelausführung ist deutlich erkennbar, dass sich die zur Übertragung der Kräfte dienenden Stützen 37, 38 viel näher an der Turbinenachse befinden als die Stützschaufeln 35 in Fig. 9a. Da die mittels eines Verstellmechanismus z.
B. nach Fig. 9b verdickten Seitenwände einer Leitschaufel sich beim Absperrvorgang mit der Seitenwand der Nachbarschaufel berühren müssen, werden
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die Profile der erfindungsgemäss ausgebildeten Leitschaufeln länger ausgeführt als bei entsprechender An- lage mit üblicher Fink'scher Drehschaufelregelung 34 und Stützschaufeln 35. Trotz dieser Verlängerung des Profils ist ein geringerer Aussendurchmesser der erfindungsgemässen Kombination von Stütz-und Leit- schaufel unverkennbar. Der erfindungsgemässe Leitapparat nach Fig. 9b besteht im wesentlichen aus einer vorderen Stütze 38, einer hinteren Stütze 37, einem Exzenter 36, zweier in der hinteren Stütze gleitbar und in der vorderen schwenkbar gelagerter Stahlbleche 39 und einer diese Teile umschlingenden Aussen- haut 40 aus Gummi oder Kunststoff.
Durch entsprechendes Verschwenken des Exzenters 36 werden die Ble- che 39 entsprechend ihrer Elastizität und damit auch die sie umspannende Aussenhaut gewölbt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Aus einem Kranz von hohlen Leitschaufeln bestehender Leitapparat für Strömungsmaschinen zum
Regeln der Zuflussmenge zum Laufrad, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (2) zu einem we- sentlichen Teil mit elastisch verformbaren, erforderlichenfalls Versteifungen aufweisenden Wänden ver- sehen sind und dass innerhalb der Hohlschaufeln mechanisch und/oder hydraulisch bzw. pneumatisch oder elektrisch wirkende Einrichtungen zum stetigen Verändern des Profils, insbesondere der Profildicke, unter Beibehaltung eines gleichbleibenden Anstellwinkels angeordnet sind.