AT405756B - Leitschaufel für kaplanturbinen - Google Patents

Description

AT 405 756 B

Die Erfindung betrifft nach Hg. 1 das Fachgebiet der historisch gesehen ältesten Kaplanturbinen-Kategorie, das ist die mit rotationssymmetrischem seitlich, radialem Einlauf, der annähernd senkrecht zur Turbinenachse Dy gerichtet ist und Leitschaufelachsen DL aufweist, die parallel zur Turbinenachse Dy angeordnet sind. Außerhalb der Leitschaufeln LE kann eine ZufluBspiraie oder auch eine Einlaufkammer. wie Hg. 1 zeigt, angeordnet sein. Diese mögliche Alternativen sind für die Erfindung belanglos.

Die Hg. 1 zeigt eine typische derartige Turbine mit senkrechter Achse, die beispielsweise eine alte Francisturbine in einem bestehenden alten Betonbauwerk ersetzen soll, weshalb sie trotz neuzeitlicher Konstruktion ohne Enlaufspirale in einer Einlaufkammer steht, während unten ein gekrümmtes Saugrohr anschlieBt.

Rg.1 zeigt gleichzeitig auch bereits eine Auswirkung der Erfindung, nämlich die Abweichung von der rein zweidimensional zylindrischen Form der Leitschaufeln LE, was sich in Hg.1 und Hg.3 in der gekrümmten Kontur der stromabwärts von DL liegenden Austrittskante der Leitschaufeln äußert.

Im Gegensatz dazu sind die stromaufwärts von Dt gelegenen Eintrittskanten parallel zu DL angeordnet, weil die Leitschaufeln im Entrittsbereich der Strömung gemäß einer Variante der Erfindung in diesem Teilbereich zylindrisch sein können ( Hg. 4 ), während Leitschaufeln nach dem bisherigen Stand der Technik für diesen Turbinentyp zur Gänze zylindrisch ausgeführt sind.

Bisheriger Stand der Technik:

Die Abstellung der Wasserzufuhr durch Schließen des Leitapparates mittels um die Achse DL drehbare Leitschaufeln LE ist eine zu erfüllende Grundforderung der Regelung.

Bisher meinte man dies nur mit Hilfe rein zylindrischer Leitschaufeln durchführen zu können, da nur dann die Berührungslinien der überlappend aufeinanderliegenden Schaufeln geradlinige Erzeugende E1 und E2 eines Zylinders durch das Profil sind. Bne Auslegung nach der Wirbelflußtheorie , die wegen rot c = 0 beste Wirkungsgrade verspricht, ist allerdings bei zylindrischen Leitschaufeln nicht möglich. Es müßte ja dann passend zur zylindrischen Leitschaufel die Meridiangeschwindigkeits-Komponente senkrecht zu DL entlang der Schaufelkanten konstant sein, was aber wegen der schroffen 90 * -Umlenkung des Meridians und den daher laut Rg.3 unregelmäßig verzerrt durch die Leitschaufein gehenden Stromlinien in Wirklichkeit nicht der Fall sein kann.

Das für die beschleunigte Turbinenströmung mit sehr guter Näherung zutreffende Potentialstromlinienbild nach Hg. 3 läßt deutlich auf die sehr ungleiche Verteilung der Meridiangeschwindigkeit schließen, nicht nur an den Laufschaufelkanten 1 und 2 sondern vor allem auch an den Leitschaufelkanten 1A und 2A. Es ergibt sich also bei einer sogenannten "Wirbelflußauslegung" (rot c = 0), die ja beste Wrkungsgrade verspricht, mit der daraus folgenden Bedingung r · cu = konst. zwischen Leit-und Laufrad , das Bedürfnis nach einer stark verwundenen Leitschaufel, eine Forderung , welcher die Erfindung im Anspruch 3 mit guter Näherung entspricht. Anderseits sollen aber die Leitschaufeln auch als Absperrorgan schließen können (Hg.8). Die verwundene Leitschaufel ist aber nach bisherigen Veröffentlichungen bei Achsen DL parallel zu Dy nicht aufgetreten, offenbar wagen der nur komplex möglichen Erfüllung der Schließforderung nach Fig. 9 und Fig.10. Die rein theoretischen konstruktiven Möglichkeiten Fig.9 und Hg.10, die in der Praxis wegen zu großer Überlappung der Schaufeln und wegen erforderlicher dicker Profile weniger vorteilhaft zu konstruieren waren, werden hier in dieser Anmeldung erstmals aufgezeigt, mit Einhaltung der Radbedingung, daß die Leitschaufelprofile einseitig gekrümmt sidn, das heißt, daß die Skelettlinien keine Wendepunkte besitzen also nicht S- förmig verlaufen, was für die vorliegende Anmeldung ganz wesentlich ist. 2

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Daher wurden bisher seit der Erfindung der Kaplanturbine stehende Kaplanturbinen mit seitlichem Einlauf mit rein zylindrischen Leitschaufeln ausgeführt. Die Laufschaufeln wurden dann wegen schwerer Berechenbarkeit bei Abweichung von der PotentiaistrÖmung zwischen Leit-und Laufrad (rot c Ψ 0 bei zylindrischen Leitschaufeln) empirisch in umfangreichen Versuchen ermittelt.

Das ist der Stand der Technik weit verbreiteter tatsächlich gebauter Maschinen und da man trotz Rotation der Strömungsteilchen um ihre eigenen Achsen dabei hohe Gesamtwirkungrade bis 94 % erzielt, kritisiert niemand die zylindrischen Leitschaufeln. Die schwere Berechenbarkeit der rotationsbehafteten Strömung zwischen Leit-und Laufrad wird gerne durch aufwendige Laborversuche ersetzt.

Eine Anmeldung aus jüngerer Zeit, die W095/10705 vom 15. Oktober 1993 der Firma Hydro West Group /USA repräsentiert aus gleichen Überlegungen wie oben ausgeführt, eine verwundene Leitschaufel für Kaplanturbinen mit radialem Einlauf, allerdings entweder mit S- förmigen Skelettlinien mit Wendepunkten (Figuren 6 bis 13 der W095/10705 oder zwar ohne S-förmige Skelettlinie aber dafür mit mehr als 20* Winkeiabweichungen im Leitschaufeleintritt gegenüber den Sollwinkein nach der Potentialtheorie. Das ist auch der wesentliche Unterschied zur vorliegenden A 939/96, wo es keine S- förmigen Skelettlinien gibt und wo die Austrittswinkel der Leitschaufeln nur plus minus zwei Grade gegenüber potentialtheoretischen Sollwerten abweichen und die weniger wichtigen Eintrittswinkel nur plus minus 5 * -Es kommt also nun auf die geometrischen Unterschiede zwischen A939/96 und W095/10705 an, um die begehrte Potentialströmung zwischen Leit- und Laufrad zu verwirklichen. Und diese Unterschiede sind groß.

Zum Anspruch 1 der A 939/96:

Jede Art von Leitschaufel die schließfahig ist hat zwei Berührungslinien zur Nachbarschaufel auf ihrer Oberfläche. Ene liegt stromaufwärts von der Drehachse (Linie E1 bei der A939/96), eine stromabwärts ( Linie E2 bei der A 939/96).

Die W095/10705 geht von der fixen Vorstellung aus, daß die Berührungslinien mit den Nachbarschaufeln beim Schließen der Leitschaufeln gerade Linien sind, die außerdem parallel zu den Drehachsen der Leitschaufeln sind und daß die stromabwärts liegende Berührungslinie identisch mit der geraden und zur Drehachse parallelen Austrittskante ist.

Dadurch kommt es bei der W095/10705 zu S- förmigen Skelettlinien der Leitschaufelprofile (siehe Figuren 6, 7, 8, 9 10, 11, 12 und 13 der W095/10707) d.h. zu Profilen mit Krümmungswendepunkten, was strömungstechnisch schlecht ist und der "STATE OF THE ART" widerspricht, wonach ein Profil eine stetige Krümmung ohne Wechsel der Krümmung darstellen soll. Bei den üblichen, infolge hoher Leitschaufelzahl radial kurzen Leitschaufeiprofiien macht die Strömung den S-Schlag nur in unmittelbarer Wandnähe des Profites mit. Deshalb wurden Lösungen mit S-förmiger Skelettlinie bei der A 939/96 von vome herein ausgeklammert. Gerade bei der Anwendung der Potentialtheorie auf die Formgebung der Leitschaufeln darf die Aufmerksamkeit ÜBERHAUPT NICHT NUR auf die Entritts- und Austrittswinkel beschränkt bleiben, wie dies in der W095/10705 überwiegend der Fall ist, sondern es muß auch den Verlauf der Skelettlinie zwischen den Endtangenten berücksichtigt werden. In den Figuren 14 und 15 der W095/10705 gibt es zwar keine S- förmige Skelettlinie, denn es versucfflN) auch die Erfinder der W095/10705 die Bedingung stetiger Krümmung in dieser Variante einzuhalten, aber des geht bei der Randbedingung achsparalleler Leitschaufelkanten im Eintritt und Austritt nur um den Pldia eines Verstoßes gegenüber der Soll-Eintrittsrichtung der Strömung (Merkmal 166 in den Fig. 12, 13, 14 und 15 der W095/10705), verglichen mit tatsächlich erfoerderlichen Lage der Profileintrittstangente. Diese Entrittswinkeiabweichung vom Sollwert, die in den Figuren erheblich ist und 20 · überschreitet, wird kn Text der W095/10705 nicht kommentiert.

Bei der A939/96 hingegen wird neben der Möglichkeit räumlich gekrümmter Berührungslinien ( Fig. 9 und 10 der A939/96) eine Konstruktion vorgesehen, bei weicher die stromabwärts liegende Schließlinie nicht identisch mit der Leitschaufelaustrittskante ist, sondern teilweise im Inneren der Schaufeloberfläche liegt. Das ist der wesentliche Unterschied zur W095?10705.

Die A 939/96 ist das Patent einer sinnvollen Näherung einer verwundenen Leitschaufel. Zunächst wurde eine Leitschaufel kompromißlos nachder Potentialtheorie ohne Rücksicht auf die Schiießbedingung ausgelegt. Dabei wurde festgestellt, daß der ProfiteiDiritt über der Schaufellänge nur sehr geringe Winkelabweichungen aufweist. Der Profiieintritt wird daher bei der A 939/96 durch einen zylindrischen Teil angenähert. Der stark verwundenen sein sollende AustrittstsQ der Leitschaufel wird bei der A 939/96 durch Weiterziehen des konvexen zylindrischen Außenteiles des Profites nach radial innen mit sehr guter Näherung erreicht. 3 ΑΤ 405 756 Β wobei die stromabwärts liegende Berührungslinie nicht voll identisch mit der Schaufelaustrittskante ist.

Diese Art der Näherung einer Verwindung bei der A939/96 ermöglicht im krassen Gegensatz zur W095/10705 eine annähernd stetige einseitig gekrümmte Skelettline mit Einhaltung der theoretisch erforderlichen Winkel im Eintritt und Austritt auf plus minus 4 ♦, während die Eintrittswinkelabweichung bei der Fig.15 der W095/10705 22' beträgt, was beim Versuch eine Verwindung zwischen parallelen Leitschaufelkanten zu konstruieren, wie dies bei allen Figuren der W095/10705 der Fall ist, nachvollziehbar nicht anders möglich ist.

Das heißt, Leitschaufelprofile nach Anspruch 1 der A939/96 liegen ohne ungünstige S-form der Profil-Skelettlinie besser im Vektor-Richtungsfeld der theoretisch idealen Potentialströmung, als die Profile nach der W095/10705.

Dies wird bei der A 939/96 mit sehr guter Näherung ( diese Näherung ist der erfinderische Gehalt) durch Vorbeiziehen eines Teiles der Schaufeloberfläche in Richtung weiter stromabwärts an der stromabwärts liegenden Berührungslinie E2 vorbei erreicht ( Fig. 2, 3, 4, 7 und 8 der A939/96).

Das ist die Aussage von Anspruch 1 der A939/96 und dies bedingt eine völlig andern Leitschaufel· geometrie, als jene der W095/10705.

Die Ansprüche 2, 3 und 4 der A939/96 im Gegensatz zur W095/10705:

Anspruch 2 der A939/96 im Gegensatz zur W09510705 ergibt sich aus Anspruch 1 der A939/96, nämlich daß durch das in Anspruch 1 definierte Vorbeiziehen eines Teiles der Oberfläche an E2 die Austrittswinkel unten gegenüber einem Bezugsradius kleiner werden wie bei der W095/10705. Es wird der gleiche Effekt erzielt, aber durch eine andere Geometrie.

Diese andere Geometrie als jene der W095/10705 untermauert der Anspruch 3 der A939/96: Die konvexe Außenseite (= Saugseite)des Profiles kann sehr gut und ausreichend genau durch einen Zylinder (bezeichnet als Merkmal ZY in Fig. 4 der A939/96) angenähert werden.

Anspruch 4 der A939/96 im Gegensatz zur W095/10705 behandelt nur eine kleine Abweichung von der rein zylindrischen konkaven Außenseite (= Saugseite) der quasi verwundenen Leitschaufel und betrifft nicht die W095/10705.

Im Text der A939/96 wird der Effekt der verwundenen Leitradschaufel auf die Laufradsschaufel nämlich eine geringere Verwindung der Laufradschaufel und ein damit begründetes besseres Teillastverhalten geschildert und in Fig. 6 illustriert. Diese Auswirkung wird in der W095/10705 nicht erwähnt, obwohl man sich dort dauernd auf funktionelle Zusammenhänge zwischen den beiden Schaufelgittern beruft.

Der in den Ansprüchen der W096/10705 aufscheinende unserer Ansicht nach bekannte normale und daher nicht patentierbare Formelapparat ist betreffend die Formeln in den Ansprüchen 12 und 14 der W095/10705 fehlerhaft vereinfacht Hier wird in der W095/10705 für die Berechnung der Laufschaufeleintrittswinkel 0, und Laufschaufelaustrittswinkel ße eine über dem Radius konstante Meridiangeschwindigkeit angeführt, und auch im Eintritt und im Austritt beibehalten, wie sich aus dem Ausdruck 4Q/ pi"(Dx2 - dh2) in den Formeln der W095/10705 indirekt ergibt. In Wirklichkeit ändert sich die Meridiangeschwindigkeit nicht nur mit dem Radius sondern ändert sich auch entlang einer Stromlinie zwischen Laufradeintritt und Laufradaustritt, was im Gegensatz zur W095/10705 bei der A 939/96 selbstverständlich berücksichtigt wurde.

Es stellen also die Ansprüche 1 bis 4 der A 939/96 direkt die Unterschiede zur W095/10705 dar.

Das Ziel der Erfindung ist es auch nicht, den ohnehin hohen Wirkungsgrad von Kaplanturbinen mit seitlichem Einlauf und zylindrischen Leitschaufeln im Auslegezustand zu verbessern, sondern vielmehr den Teillastwirkungsgrad zu verbessern und eine Erweiterung des Mengen-Regelbereiches zu bewirken. Allerdings müßte eine erfindungsgemäß ausgelegte Turbine auch im Auslegezustand erwartungsgemäß geringfügig bessere Wirkungsgrade besitzen als herkömmliche Konstruktionen mit ähnlichem Meridian.

Die hydraulische Neuerung:

Die Figuren 1 und 3 bis 8 stellen berechnete proportionierte Teile ein und derselben Kaplanturbinenauslegung dar, während die Figuren 9 und 10 ein extremes Prinzip einer kompromißlos verwundenen und trotzdem schließenden erfindungsgemäßen Schaufel darstellen und den allgemeinen Anspruch 1 illustrieren. Die Berührungslinien E1 und E2 sind in den Fig. 9 und 10 räumlich gekrümmte Linien, während sie in den Figuren 1 bis 8 gerade Linien parallel zu den Leitschaufelachsen DL bezw. zur Turbinenachse Dy sind.

Die Leitschaufelprofile Fig.4 stellen einen erfindungsgemäßen vereinfachten Kompromiß zwischen Schließen und notwendiger Verwindung für die Wirbelflußauslegung dar, der für die Fertigung günstig ist, wobei die Abweichung der Austrittswinkel von der theoretisch notwendigen Verwindung nur maximal plus minus 1,5 * 4

AT 405 756 B beträgt, während sie beim radial weiter außen liegenden und daher langsamer angeströmten Eintritt, der nach wie vor zylindrisch ist, größer ist und dort auch ohne Schaden größer sein kann und dort plus minus 5* beträgt.

Der wesentliche Vorteil eines derart annähernd im Sinne der Potentialtheorie richtig verwundenen Leitapparates liegt nicht in einer Verbesserung der ohnehin hohen Vollast- Wirkungsgrade sondern in auffallend geringen Verwindung der Laufradschaufeln und damit zu erwartenden besseren Teillastwirkungsgraden und erweiterten Mengen-Regelbereichen, wie weiter erläutert wird ! Fig. 2 und Fig. 6 illustrieren dies.

Bei dem Auslegebeipiel nach Fig. 1 und Fig. 3 beträgt der Unterschied der Anstellwinkel ß der Laufradschaufelprofile zwischen dem Nahen-Zylinderschnitt N und dem Außenzylinderschnitt A , der in Fig. 6 maßstäblich ersichtlich ist , nur 10".

Damit ist der Fehler nicht passender Verwindung bei Teillast geringer und es wird zunächst bei einer derartig ausgelegten Maschine im Mittel ein besserer Teillastwirkungsgrad erwartet

Als Nebenbeivorteil ergibt sich auch die leichte theoretische Berechenbarkeit der Maschine, wenn man z.B. von einem drallfreien Austritt stromabwärts vom Laufrad auf

u im Eintritt schließt, mit hu in J/kg als spezifischer Energie pro kg Durchsatz, u als Umfangsgeschw und Ac„ als Differenz der Projektionen der Absolutoeschwindigkeiten auf die Umfangsrichtung vor und nach dem Laufrad ^lu ^2u)mit^2u “* 0 bei drallfreiem Austritt. Wegen der infolge der erfindungsgemäßen verwundenen Leitschaufel annähernd zutreffenden Potentialströmung gilt im Raum zwischen Leitrad und Laufrad

Acu r = konst.

Das an der Leitschaufelaustrittskante zutreffende Acu wird nun mit der dort aus dem Potentialnetz von Fig.3 ermittelten Meridiangeschw. cm rechtwinkelig auf einer Tangentialebene an die Stromfläche (sichtbar als Tangente an die Stromlinie nach Fig. 3) zusarnmengesetzt und dabei mit entsprechend verzerrter Projektion auf die Profilschnittebenen senkrecht zur Leftechaufelachse DL der typische Austrittswinkel erA der Leitschaufel , sichtbar in Fig. 4, gebildet.

Ein weiterer Vorteil der wegen der verwundenen Leitschaufel wenig verwundenen Laufschaufel ergibt sich zusammen mit hohen Laufschaufelzahlen von z.B. 8 und den sich laut Fig. 5 beispielsweise nicht überdeckenden Laufschaufeln in der MöglicNteit des Durchdrehens der regulierbaren Laufschaufeln in Richtung Pumpbetrieb bei Strömungsumkehr bei Beibehaltung von Drehzahl und Drehrichtung zum Zweck des "sanften Freiputzens" der nunmehr verkehrtangeströmten Leitschaufeln von Laub, das wassergetränkt in allen Tiefen daherschwimmt und den Turbinehbetrieb empfindlich unterbrechen kann.

Die bisher bei Flußkraftwerken oft übliche kurzzeitige Chaos-Regelung zum Zweck der "Abschuttelung" des Laubes, die zu schweren Turbinenschäden führen kann, wird durch die kurzdauernde sanfte Strömungsumkehr ersetzt. Dabei ergibt sich folgender vorteilhafter Zusammenhang mit den erfindungsgemäß wenig verwundenen Laufradschaufeln:

Mit den üblichen doppelt so stark verwundenen Kaplan-Laufschaufeln bei nicht verwundenen üblichen zylindrischen Leitschaufeln ist es wesentlich schwerer die Strömung sanft umzukehren, da bei Durchdrehen der stark verwundenen Schaufel in Richtung Strömungsumkehr ein Teil der Strömung bereits zurückströmt, während der andere Teil noch längere Zeit die alte Richtung beibehält.

Gemäß Fig. 4 besteht der Unterschied der erfindungsgemäßen Leitschaufel zur herkömmlichen rein zylindrischen Leitschaufel darin , daß nicht alle in Fig.3 definierten Leitschaufelprofile die Berührungserzeugende E2 zugleich als Profil-Endkante besitzen, sondern daß die näher zur Meridianaußenkontur a 5

AT 405 756 B befindlichen Profile der Leitschaufeln stromabwärts zunehmend länger werden und an E2 vorbeigezogen sind und zunehmend von n nach a mehr nach radial innen gekrümmt ausgebildet sind und bei Annäherung an a zunehmend steilerere radiale Austrittswinkel besitzen.

Dadurch kann nämlich zwischen Leitrad und Laufrad eine Potentialwirbelströmung nach dem Gesetz 5 r · cu = konst 70 mit r als Radiuskoordinate eines strömenden Teilchens und cu als Umfangskomponente der lokalen absoluten Strömungsgeschwindigkeit realisiert werden.

Beschreibung der Figuren: 75 Die Figuren 1 und 3 bis 8 sind proportioniert aufeinander abgestimmt und entstammen dem gleichen berechneten und konstruierten Beispiel. Die Fig. 9 und Fig. 10 sind Prinzipdarstellungen und zeigen die Möglichkeit auf, eine kompromißlos verwundene Leitschaufei trotz paralleler Drehachsen DL zur Turbinenachse Dt zu konstruieren, was allerdings sowohl grundsätzlich komplex ist, als auch mit sonstigen Nachteilen in der Formgebung verbunden ist. 20 Fig.1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kaplanturbine mit seitlichem radialem Einlauf und zur Turbinenachse Dj parallelen Leitschaufelachsen DL der erfindungsgemäßen Leitschaufeln LE. Das Laufrad LF besitzt Laufschaufeln LA, die um die Regulier-Drehachsen D drehbar sind wie bei Kaplanturbinen üblich ist.

Fig.2 zeigt eine halbschematische Perspektive der wesentlichen neuartigen Merkmale der Fig.1 . Zum 25 Teil wiederholen sich die Bezeichnungen der Fig.1. Zusätzlich sind die Bezeichnungen der zu den Achsen DL senkrechten Leitschaufelschnitte NL, NML,ML, MAU und Al mit den entsprechenden erfindungsgemäßen Profilen der Leitschaufeln eingetragen. Diese bewirken eine Änderung der Abströmrichtung des Wassers von den Leitschaufeln LE von der mehr tangentialen Richtung Rn in der Nähe der Nabenmeridianbegrenzung zu einer mehr radialen Strömungsrichtung Ra in der Nähe der Außenmeridianbegrenzung a. 30 Damit wird eine schwache Verwindung der Zylinderschnitte N, NM, Μ, MA und A der Laufschaufeln LA bewirkt, was in der Absicht der Erfindung liegt.

Fig. 3 zeigt ein maßstäbliches ideale Reibungsfreiheit voraussetzendes Potentialstromlinienbild, passend zu Fig. 1 , mit Stromlinien STR und dazu orthogonalen Potentiallinien POT. Diese Näherung der wirklichen Strömung ist berechtigt 35 a) wegen der beschleunigten Strömung in denTurbin-Schaufelgittern und b) wegen der Möglichkeit des Zutreffens einer drallbehafteten Potentialströmung zwischen Leitschaufeln LE und Laufschaufeln LA gerade bei der erfindungsgemäßen Auslegung mit Zutreffen der Beziehung r-c = konst. 40 “ im Raum zwischen Leit-und Laufrad, was bei sonst üblichen zylindrischen Leitschaufeln nicht möglich wäre.

In Fig. 3 sind auch zwei Stromlinienabstände unmittelbar stromabwärts von den Leitschaufeln LE mit ΔΥ1 45 und ΔΥ2 bezeichnet, wobei AY2<AY1ist, was eine Tendenz zur Beschleunigung der Strömung im Meridianschnitt allein darstellt und daher die Tendenz zur Diffusion zwischen benachbarten Schaufeln stromabwärts von der Leitschaufelachse DL in den Achsnormalschnitten ML bis AL gemäß Fig.4, und Fig.7, welche die Leitschaufeln in Auslegestellung zeigt, teilweise aufhebt. Räumlich dreidimensional gesehen gibt es also auch beim erfindungsgemäßen Leitapparat eine so überwiegend beschleunigte wenig ablösungsanfällige Strömung im Leitgitter und dies auch weitgehend bei Teillast, obwohl die zweidimensionalen Bilder Fig.7 ( Leitgitter in Auslegestellung) und Fig. 8 ( Leitgitter in Gesonlossenstellung) für sich allein betrachtet eher eine Diffusion gegen den Austritt aus dem Leitschaufelkanal erwarten lassen aber wie gesagt nur bei zweidimensionaler Betrachtungsweise.

Fig.3 zeigt ferner die Zuflußrichtung Z und die Abflußrichtung A der Strömung, die Drehrichtung der 55 Winkelgeschw. ω in Übereinstimmung mit den übrigen Figuren, die Ansichtsrichtung X1 für die Fig.5, die Definition des Laufradaußendurchmessers DA und des Laufradnabendurchmessers DN außerhalb der kalottenförmige Ausbuchtung der Meridiankonturen n und a um die Regulier-Drehachse D der Laufschaufeln, die Lage der Zylinderschnitte A bis N der Laufschaufeln und die Lage der ebenen Schnitte NL bis AL der 6

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Leitschaufeln über die axiale Breite ba der Leitschaufeln, ferner die Lage der Eintrittskanten 1A und 1 und die Austrittskanten 2A und 2 der Schaufelgitter.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäße Leitschaufel des Anspruches 3 in einer Serie von zueinander parallelen Schnitten senkrecht zur Regulier-Drehachse DL, deren räumliche Lage in Fig.3 und zum Teil auch in Fig.2 definiert ist. Die Schaufel befindet sich dabei in Auslegestellung, passend zum Potentialstromlinienbild der Fig.3, das nur für die Auslegestellung der Schaufeln gilt.

Die Fig. 4 zeigt nur eine von mehreren möglichen erfindungsgemäßen Auslegungen, auf die alle Ansprüche 1 bis 3 zutreffen.

Fig. 4 zeigt eine möglichst einfache rationale Anwendung der Erfindung. So ist hier zum Beispiel der gesamte Einlaufbereich der Schaufel bei Strömungsrichtung SR mit vertretbar guter Näherung an die Verwindungsanforderung ( etwa plus-minus 5* ) im langsam angeströmten Einlaufbereich zylindrisch, während der Anspruch 4 die Beschaffenheit der Leitschaufeln nur in den Nahbereichen ASn beiderseits der zu den Achsen DL parallel liegenden Schließlinien (= Berührungslinien mit den Nachbarschaufeln in der Geschlossenstellung nach Fig. 8 ) E1 und E2 festlegt. Die Variante im Anspruch 4 legt im Bereich ASN innerhalb des gleichen Schnittes, z.B. im Schnitt Ml in der Geschlossenstellung nach Fig.8 gleichartige, das heißt deckungsgleiche Profiltangenten der Verwindung durch die Geraden E1 und E2 gegenüber radialen Bezugslinien durch E1 und E2 fest. Die Funktion von E1 und E2 als Berührungsgerade sieht man in Fig. 8 in der Geschlossenstellung, in der E1 und E2 aus kinematischen Gründen auf dem gleichen Radius liegen müssen.

Der strömungseinleitende Teil der Leitschaufel muß erfindungsgemäß nicht unbedingt ein zylindrischer Teil sein, wie in den Patentzeichnungen gezeigt ist und auf welchem E1 und E2 Zylindererzeugende sind, wie die Patentzeichnungen zeigen. Der strömungseinleitende Teil könnte, wie Fig.9 und Fig. 10 zeigen, auch verwunden sein. ASN wird in Anspruch 4 als Bruchteil der Profilsehne SN des zur Nabenkontur n am nächsten liegenden Leitschaufelprofils Nl definiert, wobei diese Sehne nach den üblichen Definitionen der bekannten Tragflügeltheorie als die geradlinige Verbindung des Nasenradius mit der Mitte der Profildicke am Abströmende definiert ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Lösung der erfindungsgemäßen Anwendung, bei welcher die gesamte Saugseite S im Wesentlichen einen Zylinder ZY darstellt, mit einer geringen möglichen Abweichung von der Zylinderform am Abströmende der Profilschnitte MMAl bis AL, im Bereich ASMa als z.B. 4,5 % fachen Bruchteil der zu dem Profil dazugehörigen Kolbensehne Sma

Fig. 4 stellt also einen Kompromiß zwischen, der Anforderung nach einer verwundenen Leitschaufel bei Auslegung der Laufschaufeln nach der "Wirbelflußtheorie” und einer teilweise zumindest im Bereich der Schließgeraden E1 und E2 noch immer zylindrischen Leitschaufel dar.

Gemäß diesem beabsichtigten Kompromiß ist der Eintrittswinkel aE definiert gegenüber der radialen Linie R durch die Drehachse DL über ba konstant, wahrend der Austrittswinkel <*A, ebenfalls definiert als Winkel zwischen Profil-Skelettlinientangente und radialer Bezugslinie R von der Meridiankontur n in Richtung Meridiankontur a abnimmt. Die Konturen n and a sind in Fig. 3 definiert. Das heißt, das nachfolgende Laufrad erhält radial weiter außen eine stellare, mehr axial liegende Zufluß-Schraubenströmung als in Nabennähe.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht in Richtung X1 auf die Laufradflugei. Die Richtung X1 wurde in Fig. 3 definiert. Fig. 5 definiert die Zylinderschnitte N, NM, M$ MA und A konzentrisch zur Achse Dr und zwischen den bei Kaplanturbinen üblichen Kugelbegrenzungen Dayl * und D Kugei n-

Fig. 6 zeigt die in Fig.5 und Fig.3 definierten Profilschnitte N, NM, Μ, MA und A einer Laufradschaufel mit dem für die Erfindung typischen geringen Unterschied der Profilanstellwinkel ßN und /9a von nur etwa 10’ im gezeigten Beispiel.

Wie schon unter "Neuerung” erläutert wurde istdadurch der "Verwindungsfehler" bei Teillast und auch bei Überlast geringer, so daß bessere Wirkungsgrade bei Abweichung vom Auslegezustand zu erwarten sind.

Fig. 7 zeigt mehrere benachbarte Leitschaufein in Auslegestellung gesehen in Ansichtsrichtung X1 welche in Fig.3 definiert ist, repräsentiert in Form von Parallelschnitten ,die ebenfalls in Fig. 3 definiert sind, man erkennt die Schließerzeugenden E1 stromaufwärts von der Drehachse DL und E2 stromabwärts von der Drehachse DL, beide parallel zu DL in Übereinstimmung mit dem bisherigen Stand der Technik. Der Unterschied besteht in der von der Meridianwandkontur n in Richtung Meridianwandkontur a ( a und n sind in Fig. 3 definiert) zunehmenden Ausdehnung der Schaufelprofile stromabwärts von E2, ein Merkmal, das von n nach a zunehmend steilere, das heißt mehr radiale Austrittsrichtungen in Annäherung an die radiale Bezugslinie durch DL ermöglicht, was laut Anspruch 1 beabsichtigt ist.

Fig. 8 zeigt die gleichen Leitschaufeln in Qeschlossen-Stellung und die Funktion der Schließerzeugenden E1 und E2 parallel zu DL. Wie schon unter Fig. 4 erwähnt, braucht die Leitschaufel nur im Nahbereich 7

Claims (4)

1. AT 405 756 B der Schließerzeugenden E1 und E2 zylindrisch zu sein und nicht im gesamten Einlaufteil stromaufwärts von Dl, wie die Patentzeichnungen aufzeigen. Die Patentzeichnungen Fig.1 bis Fig. 8 stellen nur eine von mehreren erfindungsgemäßen Lösungen dar, allerdings eine besonders zweckmäßige Lösung. Man erkennt, daß E1 und E2 in der Geschlossenstellung auf dem gleichen Radius zu Di liegen müssen und daß die Tangenten durch die Schnittpunkte mit E1 und E2 gleiche Winkel gegenüber radialen Bezugslinien von Dt ausgehend durch E1 und E2 haben müssen. Fig. 9 und Fig. 10 sind zueinander zugeordnete Risse der gleichen Leitschaufel, gehören also zusammen und werden daher gemeinsam beschrieben. Der Aufriß ist Fig.9 und der Grundriß ist Fig.10. Die Fig.9 und Fig.10 stellen allgemein das Prinzip der Möglichkeit einer kompromißlos verwundenen Leitschaufel bei parallelen Regulierdrehachsen DL mit Regulierbewegung R dar, die parallel zur Turbinenachse DT stehen und dabei den Winkelanforderungen einer Potentialströmung zwischen Leit- und Laufrad einer Kaplanturbine nach Fig. 1 entsprechen. Diese Winkelanforderung besteht erstens darin, daß bei z.B. innerhalb von einem typischen Profil AL die Austrittstangente sich mehr der radialen Bezugslinie nähert als die Eintrittstangente - ausgedrückt durch die Winkel αιΑ und aEA und zweitens daß die Austrittswinkel von Schnitt NL in Richtung Schnitt AL ergänzend mit den gleichlautender Schnittbezeichnungen in Fig.3 sich immer mehr der radialen Richtung nähern, daß also αΕΑ < aEN in Fig. 10 ist. Der Aufriß Fig.9 definiert drei typische Profilebenen AL ML NL senkrecht zu DL. |im Grundriß Fig.10 sieht man die drei typischen Profile Schnitt ALl Schnitt ML und Schnitt Nu stark ausgezogen in der "Geschlossenstellung" des Leitapparates und rechts daneben in strichpunktierten Linien die Profile einer um den auf allen drei Ebenen gleichen Winkel a, in Umfangsrichtung versetzten deckungsgleichen Nachbarschaufel. Der Aufriß Fig. 9 stellt die in Fig. 10 definierte Ansicht X2 dar, der Grundriß Fig. 10 hingegen, stellt die in Fig. 9 definierte Ansicht X1 dar. Die Schließ-Berührungslinie E1, bezw. ihr auf allen Schnitten um den gleichen Leitapparat-Teilungswinkel a, in Umfangsrichtung verschobenes Duplikat E2 sind dabei beliebige räumlich gekrümmte Linien, wie aus Auf-und Grundriß hervorgeht. Aus kinematischen Gründen müssen die Profiltangenten t in den Punkten E1A, E1und E1N der Linie E1 die gleichen Winkelneigungen αΑ, aM und aN gegenüber radialen Bezugslinien aufweisen, wie die um a, versetzten Tangenten durch die Punkte E2A, E2M und E2N der deckungsgleichen Berührungslinie E2. Die ausschließliche Ralisierung des Gesichtspunktes der beliebig verwundenen Eintrittspartie und der unabhängig davon beliebig verwundenen Austrittspartie der Leitschaufel hat natürlich auch schwere Nachteile: Der Überdeckungsgrad der Leitschaufeln in der Geschlossenstellung ist gering, das heißt, es ist von vorneherein eine größere Anzahl von Leitschaufeln notwendig mit Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten zwischen den Leitschaufeln. Die steiler sein müssenden Profile in Richtung von Schnittebene NL zu Schnittebene AL müssen zur Überbrückung von a, wesentlich dicker werden, was weiter zur lokalen Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeiten beiträgt. Um diese Verdickung des Profils AL gegenüber dem Profil Nu nicht allzu groß werden zulassen, sind in Fig. 10 die konzentrischen Kreisradien rN, rM, und rA auf welchen jeweils aus kinematischen Gründen die Punkte E1A-E2A, E1M-E2M und E1N-E2N von E1 und E2 liegen müssen, so abgestuft, daß rA am kleinsten ist und rN anderseits am größten ist. Denn kleineres rA bedeutet bei gleichem Teilungwinkel a, kleinerer Teilung, d.h. geringeren Versatz von E2A gegenüber E1A am Umfang und damit geringere Profildicke des Schnittes Al. Die Profildicke ist dabei immer noch ungünstig dick. Es kommt also auf diese Art zu einer ziemlich schräg zur Schaufel-Regulierachse DL liegenden Schaufel. Angesichts dieser komplexen Konsequenzen bei Einhaltung einer kompromißlosen Verwindung allein, wird man den Vereinfachungskompromiß nach Fig. 4 richtig schätzen . Daher erscheint die angenäherte Verwindung nach Figuren 3,4,7 und 8, ausgedrückt in Anspruch 3, als der beste Kompromiß zur Bereitstellung einer angenäherten Potentialströmung zwischen Leit- und Laufrad. Patentansprüche 1. Kaplanleitschaufel nach (Fig.1,Fig.9, Fig. 10) mit Regulier-Drehachse (DL) parallel zur Turbinenachse (Dt), versehen mit einer räumlich gekrümmten oder auch geraden Schließ-Berührungslinie ( E1 ) mit der Nachbarschaufel auf der überwiegend konkaven Seite der Skelettlinie und positioniert stromaufwärts von von der Regulier-Drehachse (Dl) und einer zweiten mit (E1) deckungsgleichen, aber um den Winkel (at) in allen typischen Profilschnitten (A, Μ, N) gegenüber (E1) in Umfangsrichtung versetzten Schließ-Berührungslinie (E2) stromabwärts von ( DL ) auf der gegenüberliegenden im wesentlichen 8 AT 405 756 B konvexen Seite der Skelettlinie mit der anderen Nachbarschaufel mit jeweils gleichen Tangentenwinkeln ( aAl <*m und am ) für ( E1 ) und ( E2 )in den Schnittpunkten von (E1 , E2) mit den Profilkonturen in den Profil-Ebenen (A, Μ, N) senkrecht zu (Dl) dadurch gekennzeichnet, daß die Profile in stromabwärtiger Richtung von (DL) über mindestens ein Drittel der axialen Schaufelerstreckung (ba) in (Fig.3, Fig.4,Fig.10) bis über die gesamte axiale Schaufelerstreckung (ba ) stromabwärts am Berührungspunkt mit ( E2 ) (Fig. 8) vorbei weiter gezogen sind, wodurch der Berührungspunkt (E2) zwischen Strömungseintritt und Strömungsaustritt auf den Verlauf der konvexen Profilseite zu liegen kommt.
2. 2. Kaplanieitschaufel nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der stromabwärts an das Ende der Profilskelettlinien gelegten Tangenten ( Fig.2, Fig.4, Fig. 10) auf den Schnitten ( NL bis Al ) zwischen den Meridiankonturen (n) und (a) von (n) entlang (ba ) in Richtung (a) im Bereich von Anfang an, also beginnend an der Meridiankontur (n) bis zu zwei Drittel von ba auf dem Wege zur Meridiankontur (a) sich mehr an eine radiale Richtung zielend auf die Turbinenachse (Dr) annähert und dies von ( n ) nach ( a ) gehend im kleinsten Austrittswinkel (aA ) auf Schnitt (Al ) der die Meridiankontur (a ) beinhaltet in (Fig.3, Fig.4 ) und im analogen kleinsten Austrittswinkel (<*EA ) auf dem analogen Schnitt (AL) in der allgemeinen (Fig.10) zum Ausdruck kommt.
3. 3. Kaplanieitschaufel nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Leitschaufel mit über der Länge(ba ) veränderlichen Austrittswinkeln die konvexe Seite der Schaufel ein einfacher Zylinder (ZY) ist, mit geraden Schiieß-Berührungslinien (E1) und (E2), parallel zur Regulierdrehachse (DJ und daß alle Erzeugenden des Zylinders parallel zu DL sind, und daß ferner eine Abweichung von der Zylindrizität (ZY) nur im Profil-Endbereich ( ASMa ), markiert in (Fig.4) .vorkommt, wobei der Bereich ( ASma ) definiert ist zwischen null und fünfundzwanzig Prozent der jeweiligen Profilsehnenlänge (SMA)·
4. 4. Kaplanieitschaufel nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Profil in Ebenen senkrecht zur Regulier-Drehachse (DL) die Tangenten in der Geschlossenstellung (Fig.8) an die Schnittpunkte mit den Schiieß-Berührungslinien (E1, E2) für (E1) und (E2) den gleichen Winkel gegenüber einer radialen Bezugslinie durch diese Schnittpunkte aufweisen, daß die Schnittpunkte auf dem gleichen Radius liegen und daß im Bereich ( ASN ) beiderseits von (E1) und (E2) (Fig.4) die Schaufeloberfläche sich stetig an die Tangentialflächen, die diese Tangenten beinhalten, nähert, wobei ( ASN ) definiert ist als 15 % der Sehnenlänge (SN ) des Profiles im (Schnitt NL ), der in der Meridiankontur (n) liegt. Hiezu 9 Blatt Zeichnungen 9