<Desc/Clms Page number 1>
Bei dieser Erfindung geht es um Verbesserungen an einer Kaplan-Kapselturbine für grosse Wassermengen. Die Erfindung sieht eine Anordnung des Rohrs und eine Kapsel in solcher Weise vor, dass es möglich ist, grössere Wassermengen zu bewältigen und somit mehr Energie zu erzeugen.
Wie in dem US-amerikanischen Patent Nr. 4, 308, 464 von Yamamoto vom 29. Dezember 1981 beschrieben und gemäss Fig. 1, ist die Kapsel (10) einer traditionellen Kaplan-Kapselturbine, normalerweise mit Überdruck im Kapselinneren, stromaufwärts rohrförmig (11) und verjüngt sich konisch (12) zum Turbinenrad (13) hin. Die Kapsel ist mit Stützen (14) am Rohr befestigt.
Im Innem der Kapsel (10) befindet sich ein Generator, dessen Rotor (15) von einer Welle (16) mit geschmierten Lagerungen und hydraulischen Dichtungen angetrieben wird, weiche diesen mit dem Turbinenrad (13) verbindet. Das Turbinenrad besteht aus einem Ring, an dem sich die Schaufeln (17) befinden - normalerweise sind es vier-die zusammen das Turbinenrad oder den Kaplan-Impulsator bilden. Gemeinsam mit dem Luftüberdruck im Inneren der Kapsel (10) verhindern die hydraulischen Dichtungen der Welle (16) das Eindringen von Wasser ins Kapselinnere. Das Wasser, welches an den Schaufeln (17) vorbeiströmt, treibt das Turbinenrad (13) an. Der Verteiler (28) reguliert den Wasserstrom.
Die Wasserbewegung ergibt sich aus einer Druckdifferenz stromaufwärts (18) und stromabwärts (19) der Kapsel (10), welche durch unterschiedliche Wasserstände stromaufwärts (20) und stromabwärts (21) der Kapsel (10) entsteht. Diese Wasserstandsdifferenz wird auch als hydraulische Last H der Turbine bezeichnet. Die Wassermenge, welche die Schaufeln (17) unter Betriebsbedingungen umströmt, wird als Volumen pro Zeiteinheit gemessen und in der Wassertechnik als Wassermenge Q bezeichnet. Ihre Einheiten werden in m3/sec. angegeben. Die Wassermenge Q kann auch in Abhängigkeit der Strömungs-geschwindigkeit V (angegeben in m/sec.) und des hydraulischen Bereiches A des Querschnitts (22) (angegeben in m2), welcher dem Turbinenrad (13) entspricht, als Q = A'V berechnet werden.
Die Kaplan-Kapselturbinen werden unter Arbeitsbedingungen mit kleinen (10 bis 20 m) und sehr kleinen (0, 5 bis 10 m) hydraulischen Lasten und grossen Durchflussmengen eingesetzt. Im Unterschied dazu arbeiten die Pelton-Turbinen unter Bedingungen hoher hydraulischer Lasten und kleiner Durchflussmengen, die Francis-Turbinen unter mittleren Wasserlasten und Durchflussmengen.
<Desc/Clms Page number 2>
Unter Bezugnahme auf die genannte Fig. 1 und das US-amerikanischen Patent Nr. 1, 467, 168 von Kaplan, vom 4. September 1923 ; Nr. 4, 403, 464, von Yamamoto vom 29. Dezember 1981 sowie Nr. 4, 515, 524 von Fisher jr. vom 7. Mai 1985 ist festzustellen, dass die traditionellen hydraulischen Kaplan-Kapselturbinen normalerweise in Rohre vom Venturi-Typ installiert werden, welche entlang ihrer Längsachse aus einem konvergenten (23), einem minimalen (22) und einem divergenten (24) Abschnitt bestehen. Der konvergente Abschnitt (23) beginnt mit einem rechteckigen oder quadratischen Querschnitt, der sich verjüngt und dessen Form sich allmählich dahingehend verändert, dass der Querschnitt auf der Höhe der Kapsel (10) kreisförmig ist. Von dort aus verringert sich der Durchmesser weiter bis hin zum Mindestquerschnitt (22), welcher dem Turbinenrad (13) entspricht.
Die Funktion des konvergenten Abschnitts besteht darin, das Wasser vom Speicher (25) stromaufwärts der Kapsel (10) bis hin zum minimalen Querschnitt (22) zu leiten, welcher dem Rad (13) der Turbine entspricht. Dabei wird die potentielle hydraulische Last des Speichers (25) stromaufwärts der Kapsel (10) in kinetische Energie oder hydraulische Last in Bewegung zum Antrieb der Schaufeln (17) des Turbinenrades (13) umgewandelt Der Konvergenzbereich dieses Teils des Venturi-Rohres entspricht der für den Eintritt in das Rohr angegebenen zulässigen Höchstgeschwindigkeit, normalerweise 1, 0 bis 1, 5 m/sec. Der Strom wird in dem Masse beschleunigt, in dem der hydraulische Bereich immer kleiner wird, bis er die Höchstgeschwindigkeit erreicht, welche dem Mindestquerschnitt (22) auf der Höhe des Turbinenrades (13) entspricht.
Daher wird die potentielle hydraulische Last dieser Art von Turbinen als Achse (27) der Turbine bezeichnet. Die maximale, von einer Kaplan-Turbine förderbare Wassermenge hängt also von der Fliessgeschwindigkeit und dem hydraulischen Bereich des minimalen Querschnitts (22) des Venturi-Rohres auf der Höhe des Turbinenrades (13) ab.
Vom minimalen Querschnitt (22) ab hat der divergente Abschnitt (24) des Venturi-Rohres die Funktion, das Wasser vom Turbinenrad (13) bis zum Einleitungspunkt zu führen, wobei die kinetische hydraulische Last in potentielle hydraulische Last zurückgewandelt wird. Der Divergenzbereich des Venturi-Rohres darf bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten, um zu vermeiden, dass der Wasserstrom den Kontakt zu den Wänden des Rohres verliert. Dieses Phänomen wird als Ablösung der Grenzschicht bezeichnet und sollte vermieden werden, da es unnötigen Energieverlust mit sich bringt.
<Desc/Clms Page number 3>
Im bereits genannten US-amerikanischen Patent Nr. 1, 467, 168 wird dargestellt, dass der Divergenzbereich, angegeben als Winkel der divergenten Wände, nicht grösser sein sollte als 10 .
Beim Bestimmen der Austrittsgeschwindigkeit am Einleitungspunkt werden durch die Beschränkung des maximalen Divergenzbereiches grosse Entfernungen erforderlich, was sich in einer erheblichen Steigerung der Baukosten ausdrückt. Zudem führt die grössere Entfernung des divergenten Abschnitts des Venturi-Rohres auch zu einem steigenden Energieverlust, der durch die Reibung des Wasserstroms an den Wänden des Rohrs verursacht wird. Das ebenfalls bereits zitierte US-amerikanische Patent Nr. 4, 515, 524 schlägt eine Möglichkeit vor, die Länge des divergenten Abschnitts zu reduzieren, wobei gleichzeitig die Ablösung der Grenzschicht vermieden wird : Es werden Abschnitte unterschiedlicher Drücke mittels kleiner, druckausgleichender Röhren miteinander verbunden.
Durch diese herkömmliche Anordnung verschiedener Proportionen wird die Wassermenge reduziert, die eine Kaplan-Kapselturbine in den Bereich des Rohrquerschnitts (22) auf Höhe des Turbinenrades (13) fördern kann, wie auch in Fig. 2 gezeigt ist.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, die Kaplan-Kapselturbine für grosse Wassermengen durch die Anordnung von Kapsel und Rohr so zu verbessern, dass unter ähnlichen hydraulischen Bedingungen noch grössere Wassermengen bewältigt werden können.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Kaplan-Kapselturbine für grosse Wassermengen durch die Anordnung von Kapsel und Rohr so zu verbessern, dass sie unter ähnlichen hydraulischen Bedingungen mehr Energie erzeugen kann, als dies bei der herkömmlichen Anordnung von Rohr und Kapsel der Fall ist.
Dies wird durch Merkmale des Anspruches 1 erreicht, entsprechend der idealen Anordnung der vorliegenden Erfindung wird eine Kaplan-Kapselturbine für grosse Wassermengen dahingehend verbessert, dass sie anstelle mit einem Venturi-Rohr mit maximaler Verengung am Turbinenrad, mit einem Rohr gleichen Durchmessers und folglich auch gleichen Querschnitts über seine gesamte Länge hin ausgerüstet wird. Ausgenommen davon sind die Querschnitte am Rohreingang und-ausgang, die grösser sind, damit die Fliessgeschwindigkeit in gewissen Grenzen gehalten werden kann. Im Innem befindet sich eine Kapsel, die sich nicht konisch zum Turbinenrad hin verjüngt, sondern ihre Rohrform mit einheitlichem Durchmesser bis zum Abschnitt des Turbinenrades beibehält.
Von diesem an kann sich die Kapsel mit
<Desc/Clms Page number 4>
gleichem Durchmesser bis zu seinem Ende stromabwärts fortsetzen, oder aber bis auf ein Mindestmass am Ende stromabwärts konisch zulaufen. Die Schaufeln des Rades sind um den Umfang der Kapsel herum angeordnet, die vier oder mehr Schaufeln sind über eine in ihren Lagern geschmierte Welle mit einem Generator im Inneren der Kapsel verbunden. Die hydraulischen Dichtungen der Welle sowie der Luftüberdruck im Kapselinneren verhindern das Eindringen von Wasser in die Kapsel. Über dieses Rohr wird das Wasser von einem Speicher stromaufwärts in einen Speicher stromabwärts geführt, wobei eine als hydraulische Last bezeichnete Wasserstandsdifferenz dafür sorgt, dass sich das Wasser von einem Ende des Rohrs zum andern fortbewegt.
Dabei wird die potentielle Energie oder hydraulische Last des Wassers in kinetische Energie oder hydraulische Last in Bewegung umgewandelt ; das vorbeiströmende Wasser treibt die Schaufeln des Turbinenrades an, die wiederum eine in ihren Lagern geschmierte Welle antreiben ; durch diese Welle wird ein Generator im Innern der Kapsel betrieben. Der effektive, hydraulische Durchflussbereich des Rohr- und Kapselquerschnitts ist ein Ring, dessen grösserer Durchmesser dem des Rohres, und dessen kleinerer Durchmesser dem der Kapsel entspricht. Dieser hydraulische Bereich ist grösser als der hydraulische Bereich am Turbinenrad einer herkömmlichen Anordnung von Venturi-Rohr und Kapsel, d. h. pro Zeiteinheit kann eine grössere Wassermenge durchfliessen.
Diese erhöhte Durchflussmenge erlaubt es, höhere hydraulische Leistung zu erzeugen, da diese Leistung grundlegend durch das volumetrische Gewicht des Wassers, den Wasserstrom und die hydraulische Last bestimmt wird.
Fig. 1 : Seitenansicht einer herkömmlichen Anordnung einer Kaplan-Kapselturbine in einem
Venturi-Rohr.
Fig. 2 : Ansicht des Querschnitts (22) von Fig. 1 auf Höhe des Turbinenrades (13) von Fig. 1.
Fig. 3 : Seitenansicht der verbesserten Anordnung von Rohr und Kaplan-Kapselturbine zur
Förderung grosser Wassermengen.
Fig. 4 : Ansicht des Querschnitts (42) von Fig. 3 auf Höhe des Turbinenrades (33), ebenfalls aus Fig. 3.
Fig. 5 : Ansicht des Querschnitts stromabwärts vom Turbinenrad (33) von Fig. 3.
Fig. 6 : Ansicht des Querschnitts stromabwärts vom Verteiler (68) von Fig. 3.
<Desc/Clms Page number 5>
Fig. 7 : Seitenansicht einer alternativen verbesserten Anordnung des Rohrs und der Kaplan-
Kapselturbine zur Förderung grosser Wassermengen.
Verbesserungen an einer Kaplan-Kapselturbine für grosse Wassermengen, wie in Fig. 3 gezeigt. Mit Bezug auf die genannte Fig. 3 : Das Innere der Kapsel (30) der verbesserten Kaplanturbine steht unter Druck. Im Unterschied zu der traditionellen Kapsel nach Fig. 1, die rohrförmig (11) ist und sich bis zum Turbinenrad (13) konisch verjüngt (12), weist die in Fig. 3 gezeigte Kapsel (30) der verbesserten Anordnung einen Rohrabschnitt (31) auf sowie einen weiteren Rohrabschnitt, an dem sich sowohl der Verteiler (48) wie auch das Turbinenrad (33) befinden, beide von gleichem Durchmesser. Danach folgt ein weiterer Abschnitt, der ebenfalls rohrförmig und bis zum stromabwärts befindlichen Ende (49) von gleichem Durchmesser sein kann, wie die vorherigen Abschnitte.
Dieser Abschnitt kann sich aber auch, wie in Fig. 7 gezeigt, bis hin zum stromabwärts liegenden Ende (69) konisch verjüngen (52). Im Unterschied zu der in Fig. 1 gezeigten konventionellen Kaplan-Turbine, bei der die Schaufeln (17) des Rades (13) am engsten Teil (22) des Venturi-Rohres liegen, sind die Schaufeln (37) des Rades (33) der in Fig. 3 gezeigten verbesserten Anordnung am Umfang oder äusseren Rand des Kapselquerschnitts (30) angebracht. In Form und Grösse sind sie den Schaufeln (17) einer konventionellen Kaplan-Turbine sehr ähnlich. Der Durchmesser der Kapsel (30) der verbesserten Anordnung in Fig. 3 kann so gross sein, dass das Turbinenrad (33) nicht nur aus vier sondern mehr Schaufeln besteht.
In Fig 2 sind die für gewöhnlich vier Schaufeln (17) des Rades (13) einer traditionellen Kaplan-Kapselturbine dargestellt, im Vergleich dazu zeigt Fig. 4 die Schaufeln (37) der verbesserten Anordnung. Fig. 4 macht deutlich, dass der längere Umfang des Turbinenrades (33) eine grössere Anzahl von Schaufeln ermöglicht als am Turbinenrad (13) von Fig. 2. In Fig. 3 ist dargestellt, wie die Kapsel der verbesserten Anordnung mit Stützen (34) am Rohr befestigt ist. Im Inneren der Kapsel (30) befindet sich ein Generator, dessen Rotor (35) über eine Welle (36) mit geschmierten Lagern und hydraulischen Dichtungen angetrieben und durch diese mit dem Turbinenrad (33) verbunden wird. Dieses Rad besteht aus einem Ring, der grösser ist als der einer konventionellen Kaplan-Turbine, und den bereits erwähnten vier oder mehr Schaufeln (37).
Zusammen mit dem Überdruck in der Kapsel (30) vermeiden die hydraulischen Dichtungen der Welle (36) das Eintreten von Wasser ins Kapselinnere. Das Turbinenrad (33) wird von dem die Schaufeln (37) durchströmenden Wasser angetrieben. Der Wasserstrom wird von dem Verteiler (48) reguliert. Die Wasserbewegung entsteht durch den Druckunterschied stromaufwärts (38) und stromabwärts
<Desc/Clms Page number 6>
(39) der Kapsel, der wiederum auf unterschiedlichen Wasserständen stromaufwärts (40) und stromabwärts (41) der Kapsel beruht. Diese Wasserstandsdifferenz ist auch als hydraulische Last der Turbine bekannt. Die Wassermenge, welche die Schaufeln (37) unter Arbeitsbedingungen umströmt, wird in Volumen pro Zeiteinheit gemessen und in der Wassertechnik als Durchflussmenge Q bezeichnet. Ihre Einheiten werden in m3/sec. angegeben.
Die Durchflussmenge Q kann auch In Abhängigkeit von der Fliessgeschwindigleit V (in m/sec. angegeben) und dem hydraulischen Bereich des Querschnitts (42) am Turbinenrad (33) (in m2 angegeben), mit der Formel Q = A'V berechnet werden.
Die Kapseiturbine der verbesserten Anordnung wird in ein Rohr eingebaut, wie in Fig. 3 gezeigt. Im Unterschied zum in Fig. 1 gezeigten Venturi-Rohr einer konventionellen KaplanTurbine, in dem es einen konvergenten (23), einen minimalen (22) und einen divergenten (24) Abschnitt gibt, weist das Rohr der verbesserten Anordnung von Fig. 3 über seine gesamte Länge den gleichen Durchmesser und demzufolge auch den gleichen Querschnitt A auf.
Ausnahme bilden davon die Ein- und Austrittspunkte des Rohres ; diese sind vergrössert, um die Fliessgeschwindigkeit in gewissen Grenzen halten zu können. Der Rohrabschnitt (43) hat die Aufgabe das Wasser vom Speicher stromaufwärts (45) der Kapsel (30) bis zum Querschnitt (42) auf Höhe des Turbinenrades (33) zu leiten, wobei die potentielle hydraulische Last des Speichers (45) in kinetische Energie oder hydraulische Last in Bewegung verwandelt und somit die Schaufeln (37) des Turbinenrades (33) in Bewegung versetzt werden. Da das Rohr der verbesserten Anordnung den gleichen Durchmesser wie die Kapsel (30) beibehält, erreicht das Wasser, sobald es in das besagte Rohr eintritt, seine Höchstgeschwindigkeit und verwandelt seine potentielle Energie in kinetische Energie.
Wie bereits erläutert wurde, unterscheidet sich die konventionelle Kaplan-Turbine dadurch (siehe Fig. 1), dass das Wasser beim Eintritt in das Rohr beschleunigt wird, beim Durchfliessen des konvergenten Abschnitts (23) weiter beschleunigt wird, bis es am minimalen Querschnitt (22), an dem das Turbinenrad (13) liegt, seine Höchstgeschwindigkeit erreicht. Ab diesem Abschnitt verlangsamt sich der Wasserstrom und verwandelt seine kinetische Energie im divergenten Abschnitt (24) in hydraulische Drucklast. In der in Fig. 3 dargestellten verbesserten Anordnung wird die potentielle Energie oder hydraulische Last der Turbine als Achse (47) derselben bezeichnet.
Die von einer in Fig. 1 gezeigten konventionellen Kaplan-Turbine geförderte Durchflussmenge Q lässt sich mittels des hydraulischen Bereichs A des Querschnitts (22) und der Geschwindigkeit V, ebenfalls am Querschnitt (22), als Q = A'V berechnen. Im Unterschied
<Desc/Clms Page number 7>
dazu wird die von der In Fig. 3 gezeigten verbesserten Anordnung geförderte Durchflussmenge Q mittels des hydraulischen Bereichs A, des Querschnitts (42) am Turbinenrad (43) und der Fliessgeschwindigkeit V am gleichen Querschnitt (42) berechnet. Der Bereich A, ist ein Ring, dessen grösserer Durchmesser dem Rohrdurchmesser und dessen kleinerer Durchmesser dem Aussendurchmesser der Kapsel entsprechen.
Die Fliessgeschwindigkeit hängt vor allem von der verfügbaren hydraulischen Last ab, weshalb sie in der konventionellen Turbine von Fig. 1 und der verbesserten Turbine von Fig. 3 konstant bleibt. Bei konstanter Geschwindigkeit V wird deutlich, dass, da der hydraulische Bereich A, der in Fig. 4 dargestellten verbesserten Anordnung grösser ist als der hydraulische Bereich A der konventionellen Anordnung von Fig. 2, auch die Durchflussmenge Q, der verbesserten Anordnung grösser ist als die Menge Q der konventionellen Turbine.
Die von einer Turbine erbrachte hydraulische Leistung P hängt von dem volumetrischen Gewicht des Wassers y, der durch den hydraulischen Querschnitt des Rohrs fliessenden Menge Q sowie der hydraulischen Last H ab. Die Gleichung lautet somit : P = y * Q'H. Da sich die Menge Q aber auch mit der Gleichung Q = A. V darstellen lässt, kann die hydraulische Leistung auch durch den hydraulischen Bereich A des Rohrquerschnitts und die Fliessgeschwindigkeit V als : P = y (A'V) H ausgedrückt werden.
Der hydraulische Bereich A. der verbesserten Anordnung von Fig. 3 ist bedeutend grösser als der hydraulische Bereich A des minimalen Querschnitts der in Fig. 2 gezeigten konventionellen Turbine, weshalb die verbesserte Anordnung die Förderung einer grösseren Menge Q und die Erzeugung einer höheren Leistung P, erlaubt, als dies bei der konventionellen Turbine der Fall ist.
Durch die detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles wurde nachgewiesen, dass die Ziele der Erfindung durch dieselbe erreicht werden. Die Veränderungen und Äquivalenzen der hier dargestellten Konzepte sind in den Bereich dieser Erfindung mit hineinzunehmen.