AT514994A1 - Verstelleinrichtung für die Laufradflügel von Turbinen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für die Laufradflügel (2) von Turbinen (1) mit einem hydraulischen Servozylinder (5). Sie ist vornehmlich dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Haupt-Servozylinder (5) ein weiterer Hilfs-Servozylinder (6) vorgesehen ist, der dem Haupt-Servozylinder (5) gegenüberliegend angeordnet ist und dessen Hebelarm (8) versetzt gegenüber dem Hebelarm (7) des Haupt-Servozylinders (5) am Laufschaufelhebel (9) angeordnet ist. Damit kann auch eine Verstellung über 180° hinaus erfolgen und er dazwischen liegende Totpunkt des Hebels (7) des Haupt­ Servozylinders (5) überwunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für die Laufradflügel von Turbinen miteinem hydraulischen Servozylinder.
Laufschaufel Verstelleinrichtungen werden z.B. bei Kaplanturbinen eingesetzt um beiallen Durchflussmengen immer den günstigsten Wirkungsgrad zu erzielen. DerVerstellbereich der Laufschaufeln bei einseitig durchströmten Axialturbinen liegt dabeibei ca. 30°. Bei reversiblen Axialturbinen, die in beiden Richtungen durchströmt werden,erhöht sich der Verstellbereich zur optimalen Laufschaufelstellung auf etwa 200°. Dies istmit der bisherigen Lösung mit einem hydraulischen Servozylinder nicht realisierbar, dahier in einer Winkelstellung ein Totpunkt auftritt, bei dem der Momentenarm desServozylinders zu null wird und somit eine weitere Verstellung nicht mehr realisiertwerden kann.
Alternative Lösungen gibt es insoweit, als zum einen ein symmetrisches Schaufelprofilmit reduziertem Wirkungsgrad gewählt wird, zum anderen die Verstellbewegungbeispielsweise mittels Zahnstangen durchgefuhrt wird.
Ziel der Erfindung ist es daher eine Lösung der Verstellung der Laufschaufeln auch fürreversible Axialturbinen anzubieten.
Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass zusätzlich zum Haupt-Servozylinder einweiterer Hilfs-Servozylinder vorgesehen ist, der dem Haupt-Servozylindergegenüberliegend angeordnet ist und dessen Hebelarm versetzt gegenüber dem Hebelarmdes Haupt-Servozylinders am Laufschaufelhebel angeordnet ist. Durch die versetzenHebelarme von Haupt-Servozylinder und Hilfs-Servozylinder ist eine kontinuierlicheBewegung und damit Verstellung der Laufschaufeln über 180° hinausgehend möglich.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass dieZylinder des Haupt-Servozylinders und des Hilfs-Servozylinders auf einer gemeinsamenKolbenstange angeordnet sind. Dadurch kann eine kompakte Bauweise erreicht werden.
Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass derVersetzungswinkel zwischen den Angriffspunkten der Hebel des Haupt-Servozylindersund Hilfs-Servozylinders zwischen 60° und 120° beträgt. Damit lässt sich dererforderliche Kraftaufwand zur Verstellung besonders gut optimieren.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Servozylinder eine Kraft von zwischen 10 und 30 %, vorzugsweise etwa 20% des Haupt-Servozylinders aufweist.
Besonders günstig hat sich erwiesen, wenn der Hilfs-Servozylinder im Bereich desTotpunktes des Hebels des Haupt-Servozylinders die Schaufel Verstellung übernimmt,wobei der Hilfs-Servozylinder vorzugsweise den übrigen Teil des Hubs drucklos ist.Damit kann mit einem geringen Energieaufwand die Verstellung über den gesamtenStellbereich ermöglicht werden.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobeiFig. 1 eine Ansicht einer Turbine bei der die Erfindung angewendet wird zeigt,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Turbinennabe mit der erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 3 a bis Fig. 3 e den Ablauf der Verstellung der Schaufelndarstellt.
Fig. 1 zeigt ein Kaplanlaufrad 1, das in diesem Beispiel drei Flügel oder Laufradschaufeln2 aufweist, die an der Laufradnabe 3 dreh- bzw. schwenkbar befestigt sind. Durch dieseVerstellbarkeit wird gewährleistet, dass die Laufradschaufeln 2 immer in der optimalenPosition für einen optimalen Wirkungsgrad sind. Die Stellung der Laufradschaufeln 2wird somit immer an den Wasserstrom angepasst. Ein derartiges Laufrad 1 kann auch alsAxiallaufrad in Rohrleitungen eingesetzt werden. Hier tritt dann bei Fällen mitStrömungsumkehr das Problem auf, dass das Laufrad im Allgemeinen nur für eineStrömungsrichtung hinsichtlich des Wirkungsgrades optimal ausgeführt sein kann. Umdas zu umgehen werden hier dann oft Laufradschaufelgeometrien gewählt, die zwar fürdie einzelne Strömungsrichtung nicht optimal, in Summe für beide Richtungen aberentsprechend angepasst sind.
Fig. 2 zeigt nun die Verstelleinrichtung gemäß der Erfindung, wobei hier lediglich dieLaufradnabe 3 ohne die entsprechenden Laufradschaufeln dargestellt ist. Es ist dieseVerstelleinrichtung auch nur für eine Laufradschaufel dargestellt, obwohl sie gleichzeitigfür alle Laufradschaufeln, d.h. in diesem Fall für drei Schaufeln, ausgeführt wird. In derMaschinendrehachse verläuft eine Kolbenstange 4, auf der ein Haupt-Servozylinder 5angeordnet ist. Auf der, der Nabe 3 gegenüber liegenden Seite ist ein Hilfs-Servozylinder6 angeordnet. Der Hebel 7 des Haupt-Servozylinders 5 sowie der Hebel 8 des Hilfs-Servozylinders 6 sind am Laufschaufelhebel 9 versetzt angeordnet, wobei derSchaufelring 9 direkt mit der Laufradschaufel 2 (hier nicht dargestellt) verbunden ist. Derversetzte Angriffspunkt der Hebel 7 und 9 kann einen Winkel von 90° bis 120°einschließen (hier dargestellt sind ca. 90°).
Fig. 3 a bis Fig. 3 e zeigen die Positionen der Laufschaufel 2 sowie der Servozylinder 5, 6für verschiedene Betriebszustände. Um die Verstelleinrichtung herum ist die Nabe 3angeordnet, die im Betriebszustand von Wasser umspült ist.
Fig. 3 a zeigt den Turbinenbetrieb der reversiblen Axialturbine mit minimalerSchaufelöffnung, bei der das Wasser entsprechend Pfeil 10 von links kommt und sich dieTurbine somit gegen den Uhrzeiger dreht. Der Angriffspunkt des Hebels 7 desHauptservozylinders 5 schließt dabei einen Winkel von - 110° (entspricht 250°) gegen dieZylinderachse ein.
Fig. 3 b zeigt einen Betriebszustand der Axialturbine im Turbinenbetrieb mit maximalerSchaufelöffnung, wobei hier der Wasserstrom ebenfalls gemäß Pfeil 10 von links kommtund sich die Turbine gegen den Uhrzeiger dreht. Der Wasserstrom erfolgt somit vomOberwasser zum Unterwasser des Kraftwerkes. Der Winkel zwischen Angriffspunkt desHebels 7 und horizontaler Achse beträgt hier -70° (entspricht 290°), wobei dieMaschinendrehachse mit 11 bezeichnet ist.
Fig. 3 c stellt nun die kritische Situation dar, bei der der Hebel 7 des Hauptservozylinders5 im Totpunkt angekommen ist und somit keine Kraft für eine weitere Verstellung derSchaufel 2 aufbringen kann. Somit wird erfindungsgemäß ca 20° vor und 20° nach dieserStellung der Hauptservozylinder 5 drucklos geschaltet und der Hilfsservozylinder 6aktiviert. Durch die versetzte Anordnung der Angriffspunkte der Hebel 7 und 8 kannsomit der Totpunkt des Hauptservozylinders 5 samt Hebel 7 überwunden werden. Dierestliche Zeit bleibt der Hilfsservozylinder 6 drucklos geschaltet und läuft nur mit.
In Fig. 3 d ist dann der Pumpbetrieb oder auch ein Turbinenbetrieb in 2. Richtungdargestellt, wobei hier der Wasserstrom gemäß Pfeil 12 von rechts kommt und dieDrehrichtung der Axialturbine im Uhrzeigersinn ist. Bei minimaler Schaufelöffnunggemäß Fig. 3 d beträgt der Winkel des Hebels 7 des Hauptservozylinders 5 zurhorizontalen Achse +70°.
Wird die Axailturbine im Pumpbetrieb oder im Turbinenbetrieb in 2. Richtung mitmaximaler Schaufelöffnung betrieben, ergibt sich eine Position wie in Fig. 3 e dargestellt,mit einem Winkel von 110° und einer Strömungsrichtung von rechts gemäß Pfeil 12, waszu einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn führt.
Die hier angegebenen Winkel des Hebels 7 zur Achse sind beispielhaft und können auchgeringfügig variieren. Die Hebelstellung bei maximaler und minimaler Schaufelöffnungist hierbei von der Schaufelkonstruktion abhängig. Der Bereich um den Totpunkt kann ebenfalls variieren, je nach Versetzungswinkel der Angriffspunkte der Hebel 7 und 8 undder durch den Hilfsservozylinder 6 aufbringbaren Kraft. Wesentlich ist jedoch, dass indiesem Bereich der Hauptservozylinder 5 drucklos geschalten wird und außerhalb desBereichs der Hilfsservozylinder 6 drucklos geschalten ist.

Claims (7)

  1. Patentansprüche 1. Verstelleinrichtung fur die Laufradflügel von Turbinen mit einem hydraulischenServozylinder, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Haupt-Servozylinder (5)ein weiterer Hilfs-Servozylinder (6) vorgesehen ist, der dem Haupt-Servozylinder (5)gegenüberliegend angeordnet ist und dessen Hebelarm (8) versetzt gegenüber demHebelarm (7) des Haupt-Servozylinders (5) am Laufschaufelhebel (9) angeordnet ist.
  2. 2. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Haupt-Servozylinder (5) und Hilfs-Servozylinder (6) auf einer gemeinsamen Kolbenstange(13) angeordnet sind.
  3. 3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass derVersetzungswinkel zwischen den Angriffspunkten der Hebel (7, 8) des Haupt-Servozylinders (5) und Hilfs-Servozylinders (6) zwischen 60° und 120° beträgt.
  4. 4. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dassder Hilfs-Servozylinder (6) eine Kraft von zwischen 10 und 30 %, vorzugsweise etwa20% des Haupt-Servozylinders (5) aufweist.
  5. 5. Verstelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dassder Hilfs-Servozylinder (6) im Bereich des Totpunktes des Hebels des Haupt-Servozylinders (5) die Schaufelverstellung übernimmt und der Haupt-Servozylinder(5) drucklos geschaltet ist..
  6. 6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich etwa20° vor und etwa 20° nach dem Totpunkt beträgt.
  7. 7. Verstelleinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Servozylinder (6) den übrigen Teil des Hubs drucklos ist.
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