AT514994B1 - Verstelleinrichtung für die Laufradflügel von Turbinen - Google Patents

Verstelleinrichtung für die Laufradflügel von Turbinen Download PDF

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AT514994B1 ATA853/2013A AT8532013A AT514994B1 AT 514994 B1 AT514994 B1 AT 514994B1 AT 8532013 A AT8532013 A AT 8532013A AT 514994 B1 AT514994 B1 AT 514994B1
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Abstract

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

Description

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für die Laufradflügel von Turbinen mit einem hydraulischen Servozylinder, wobei zusätzlich zum Haupt-Servozylinder ein weiterer Hilfs-Servozylinder vorgesehen ist und der weitere Hilfs-Servozylinder dem Haupt-Servozylinder auf einer Achse gegenüberliegend angeordnet ist.
[0002] Laufschaufel Verstelleinrichtungen werden z.B. bei Kaplanturbinen eingesetzt um bei allen Durchflussmengen immer den günstigsten Wirkungsgrad zu erzielen. Der Verstellbereich der Laufschaufeln bei einseitig durchströmten Axialturbinen liegt dabei bei ca. 30°. Bei reversiblen Axialturbinen, die in beiden Richtungen durchströmt werden, erhöht sich der Verstellbereich zur optimalen Laufschaufelstellung auf etwa 200°. Dies ist mit der bisherigen Lösung mit einem hydraulischen Servozylinder nicht realisierbar, da hier in einer Winkelstellung ein Totpunkt auftritt, bei dem der Momentenarm des Servozylinders zu null wird und somit eine weitere Verstellung nicht mehr realisiert werden kann.
[0003] Alternative Lösungen gibt es insoweit, als zum einen ein symmetrisches Schaufelprofil mit reduziertem Wirkungsgrad gewählt wird, zum anderen die Verstellbewegung beispielsweise mittels Zahnstangen durchgeführt wird. Die US US2951380 A beschreibt z.B. eine Verstelleinrichtung für die Laufschaufeln von Wasserturbinen. Diese Einrichtung weist einen Haupt-Servozylinder und einen Hilfs-Servozylinder auf. Die Verbindung der Hebelarme der beiden Servo-Zylinder erfolgt über Zahnbogen, wodurch hier starke Reibung entsteht und auch die Gefahr der Verkantung gegeben ist. Die EP 1283370A2 zeigt zwar einen doppelten Zylinder, aber keinerlei Art der Verbindung mit dem Rotorblatt. Weiters beschreibt die DE 958 628 C1 einen hydraulischen Verstellpropeller. Hier sind zur Verstellung der Propeller zwei gleichwertige Servomotoren vorgesehen, die auf konzentrisch angeordneten Wellen angeordnet sind und immer hydraulisch parallel geschaltet sind. Es liegen hier weder Hebel(arme) zu einem Lauf-schaufel-(oder Propeller)hebel vor, noch kann damit deine Verstellung der Propeller über 180° erfolgen.
[0004] Ziel der Erfindung ist es daher eine Lösung der Verstellung der Laufschaufeln auch für reversible Axialturbinen anzubieten.
[0005] Dies erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass der Hebelarm des Hilfs-Servozylinders versetzt gegenüber dem Hebelarm des Haupt-Servozylinders am Laufschaufelhebel angeordnet ist. Durch die versetzen Hebelarme von Haupt-Servozylinder und Hilfs-Servozylinder ist eine kontinuierliche Bewegung und damit Verstellung der Laufschaufeln über 180° hinausgehend möglich.
[0006] Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinder des Haupt-Servozylinders und des Hilfs-Servozylinders auf einer gemeinsamen Kolbenstange angeordnet sind. Dadurch kann eine kompakte Bauweise erreicht werden.
[0007] Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Versetzungswinkel zwischen den Angriffspunkten der Hebelarme des Haupt-Servozylinders und Hilfs-Servozylinders zwischen 60° und 120° beträgt. Damit lässt sich der erforderliche Kraftaufwand zur Verstellung besonders gut optimieren.
[0008] Besonders günstig hat sich erwiesen, wenn der Hilfs-Servozylinder im Bereich des Totpunktes des Hebelarms 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 gesamten Stellbereich ermöglicht werden.
[0009] Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei [0010] Fig. 1 eine Ansicht einer Turbine bei der die Erfindung angewendet wird zeigt, [0011] Fig. 2 einen Schnitt durch eine Turbinennabe mit der erfindungsgemä ßen Anordnung, [0012] Fig. 3 a bis Fig. 3 e den Ablauf der Verstellung der Schaufeln darstellt.
[0013] Fig. 1 zeigt ein Kaplanlaufrad 1, das in diesem Beispiel drei Flügel oder Laufradschaufeln 2 aufweist, die an der Laufradnabe 3 dreh- bzw. schwenkbar befestigt sind. Durch diese Verstellbarkeit wird gewährleistet, dass die Laufradschaufeln 2 immer in der optimalen Position für einen optimalen Wirkungsgrad sind. Die Stellung der Laufradschaufeln 2 wird somit immer an den Wasserstrom angepasst. Ein derartiges Laufrad 1 kann auch als Axiallaufrad in Rohrleitungen eingesetzt werden. Hier tritt dann bei Fällen mit Strömungsumkehr das Problem auf, dass das Laufrad im Allgemeinen nur für eine Strömungsrichtung hinsichtlich des Wirkungsgrades optimal ausgeführt sein kann. Um das zu umgehen werden hier dann oft Laufradschaufelgeometrien gewählt, die zwar für die einzelne Strömungsrichtung nicht optimal, in Summe für beide Richtungen aber entsprechend angepasst sind.
[0014] Fig. 2 zeigt nun die Verstelleinrichtung gemäß der Erfindung, wobei hier lediglich die Laufradnabe 3 ohne die entsprechenden Laufradschaufeln dargestellt ist. Es ist diese Verstelleinrichtung auch nur für eine Laufradschaufel dargestellt, obwohl sie gleichzeitig für alle Laufradschaufeln, d.h. in diesem Fall für drei Schaufeln, ausgeführt wird. In der Achse verläuft eine Kolbenstange 4, auf der ein Haupt-Servozylinder 5 angeordnet ist. Auf der, der Nabe 3 gegenüber liegenden Seite ist ein Hilfs-Servozylinder 6 angeordnet. Hier ist eine gemeinsame Kolbenstange 4 für beide Servo-Zylinder vorgesehen. Der Hebelarm 7 des Haupt-Servozylinders 5 sowie der Hebelarm 8 des Hilfs-Servozylinders 6 sind am Laufschaufelhebel 9 versetzt angeordnet, wobei der Laufschaufelhebel 9 direkt mit der Laufradschaufel 2 (hier nicht dargestellt) verbunden ist. Der versetzte Angriffspunkt der Hebelarme 7 und 8 kann einen Winkel α von 90° bis 120“einschließen (hier dargestellt sind ca. 90°).
[0015] Fig. 3 a bis Fig. 3 e zeigen die Positionen der Laufschaufel 2 sowie der Servozylinder 5, 6 für verschiedene Betriebszustände. Um die Verstelleinrichtung herum ist die Nabe 3 angeordnet, die im Betriebszustand von Wasser umspült ist.
[0016] Fig. 3 a zeigt den Turbinenbetrieb der reversiblen Axialturbine mit minimaler Schaufelöffnung, bei der das Wasser entsprechend Pfeil 10 von links kommt und sich die Turbine somit gegen den Uhrzeiger dreht. Der Angriffspunkt des Hebelarms 7 des Hauptservozylinders 5 schließt dabei einen Winkel von - 110° (entspricht 250°) gegen die Zylinderachse ein.
[0017] Fig. 3 b zeigt einen Betriebszustand der Axialturbine im Turbinenbetrieb mit maximaler Schaufelöffnung, wobei hier der Wasserstrom ebenfalls gemäß Pfeil 10 von links kommt und sich die Turbine gegen den Uhrzeiger dreht. Der Wasserstrom erfolgt somit vom Oberwasser zum Unterwasser des Kraftwerkes. Der Winkel zwischen Angriffspunkt des Hebelarms 7 und horizontaler Achse beträgt hier -70° (entspricht 290°), wobei die Maschinendrehachse mit 11 bezeichnet ist.
[0018] Fig. 3 c stellt nun die kritische Situation dar, bei der der Hebelarm 7 des Haupt-Servozylinders 5 im Totpunkt angekommen ist und somit keine Kraft für eine weitere Verstellung der Schaufel 2 aufbringen kann. Somit wird erfindungsgemäß ca. 20° vor und 20° nach dieser Stellung der Haupt-Servozylinder 5 drucklos geschaltet und der Hilfs-Servozylinder 6 aktiviert. Durch die versetzte Anordnung der Angriffspunkte der Hebelarme 7 und 8 kann somit der Totpunkt des Haupt-Servozylinders 5 samt Hebelarm 7 überwunden werden. Die restliche Zeit bleibt der Hilfs-Servozylinder 6 drucklos geschaltet und läuft nur mit.
[0019] In Fig. 3 d ist dann der Pumpbetrieb oder auch ein Turbinenbetrieb in 2. Richtung dargestellt, wobei hier der Wasserstrom gemäß Pfeil 12 von rechts kommt und die Drehrichtung der Axialturbine im Uhrzeigersinn ist. Bei minimaler Schaufelöffhung gemäß Fig. 3 d beträgt der Winkel des Hebelarms 7 des Haupt-Servozylinders 5 zur horizontalen Achse +70°.
[0020] Wird die Axialturbine im Pumpbetrieb oder im Turbinenbetrieb in 2. Richtung mit maximaler 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, was zu einer Drehrichtung im Uhrzeigersinn führt.
[0021] Die hier angegebenen Winkel des Hebelarms 7 zur Achse sind beispielhaft und können auch geringfügig variieren. Die Hebelstellung bei maximaler und minimaler Schaufelöffnung ist hierbei von der Schaufelkonstruktion abhängig. Der Bereich um den Totpunkt kann ebenfalls variieren, je nach Versetzungswinkel der Angriffspunkte der Hebelarme 7 und 8 und der durch den Hilfs-Servozylinder 6 aufbringbaren Kraft. Wesentlich ist jedoch, dass in diesem Bereich der Haupt-Servozylinder 5 drucklos geschalten wird und außerhalb des Bereichs der Hilfs-Servozylinder 6 drucklos geschalten ist.

Claims (6)

  1. Patentansprüche
    1. Verstelleinrichtung für die Laufradflügel von Turbinen mit einem hydraulischen Servozylinder, wobei zusätzlich zum Haupt-Servozylinder (5) ein weiterer Hilfs-Servozylinder (6) vorgesehen ist und der weitere Hilfs-Servozylinder (6) dem Haupt-Servozylinder (5) auf einer Achse gegenüberliegend angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebelarm (8) des Hilfs-Servozylinders (6) versetzt gegenüber dem Hebelarm (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 (4) angeordnet sind.
  3. 3. Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versetzungswinkel (a) zwischen den Angriffspunkten der Hebelarme (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, dass der Hilfs-Servozylinder (6) im Bereich des Totpunktes des Hebelarms des Haupt-Servozylinders (5) die Schaufelverstellung übernimmt und der Haupt-Servozylinder (5) drucklos geschaltet ist.
  5. 5. Verstelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich etwa 20° vor und etwa 20° nach dem Totpunkt beträgt.
  6. 6. Verstelleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfs-Servozylinder (6) den übrigen Teil des Hubs drucklos ist. Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
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