Aus Kaplanturbine und Generator bestehender hydroelektrischer Maschinensatz. Die Erfindung betrifft einen aus Kaplan turbine und Generator bestehenden hydro- elektrischen Maschinensatz.
Beim Betrieb von Kaplanturbinen mit Teil- oder Überlast oder Überdrehzahl können in der Gegend des Laufrades Unterdrücke auftreten, welche zu Kavitationserscheinungen und instabilen Strömungszuständen führen können und dabei Geräusche und Erschütte rungen auslösen können. Solche Erseheinun- gen können durch Luftzufuhr zu jenen Stel len, an denen die genannten Unterdrücke auftreten, vermindert oder ganz vermieden werden.
Die Erfindung bezweckt nun, in einfacher und in einer den besonderen Betriebsbedin gungen der Kaplanturbine angepassten Weise eine Belüftung des Laufrades solcher Turbinen zu erreichen. Zu diesem Behufe wird erfin dungsgemäss bei einem aus Kaplanturbine und Generator bestehenden hydroelektrischen Ma sehinensatz die zur Verstellung der Lauf schaufeln dienende Verstellstange mit einer zentralen Bohrung versehen, welche mit der Austrittseite des Laufrades in Verbindung steht und zur Belüftung der Laufradaustritt seite dient.
Die Luftzufuhr zu dieser zentralen Boh rung kann auf irgendeine Weise erfolgen. Zweekmässigerweise wird indessen an das dem Turbinenlaufrad entgegengesetzte Ende der Verstellstange ein mit deren zentralen Boh rung in Verbindung stehendes, der Luftzufuhr dienendes Rohr angeschlossen, welches die ganze Welle des Generators durchdringt. Das freie Ende dieses Rohres kann direkt mit der Atmosphäre in Verbindung stehen. Anderseits können aber auch Einrichtungen vorgesehen sein, durch welche der zentralen Bohrung der Verstellstange in Abhängigkeit von einer Regelgrösse, wie der Drehzahl des Laufrades, des am Laufradaustritt herrschenden Unter druckes oder der Öffnung des Leitapparates der Turbine, Druekluft zugeführt werden kann.
In den beiliegenden Zeichnungen sind ein Ausführungsbeispiel und Varianten der erfin dungsgemäss ausgebildeten hydroelektrischen Anlage dargestellt, an Hand welcher auch die Funktionsweise erläutert wird. Es zeigen: Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den Turbinenteil eines hydroelektrischen iVla- schinensatzes, Fig.2 einen axialen Längssehnitt durch die der Belüftung dienenden Teile auf der Generatorseite des gleichen hydroelektrischen Maschinensatzes, Fig. 3 und 4 Varianten für die Ausbildung der Luftzufuhreinrichtungen auf der ,
Seite des freien Endes der Generatorwelle und Fig. '5 eine besondere Ausbildung einer Einrichtung für die Zufuhr von zur Füllung der Laufradnabe dienendem Öl.
Die in Fig.1 dargestellte Kaplanturbine weist ein aus drehbaren Laufsehaufeln 1 und einer Nabe 2 mit Haube 3 bestehendes Lauf rad auf, welches am untern Ende einer hohlen Welle 4 befestigt ist. Eine innere Deckel- konstruktion 5 und eine äussere Deckelkon struktion 6 bilden die Begrenzung des Strö mungsraumes nach oben. Das Wasser durch strömt nacheinander eine Stützschaufelkon- struktion 7 und einen aus drehbaren Schaufeln 8 bestehenden Leitapparat, worauf es die Laufschaufeln 1 beaufschlagt und die Turbine nach unten verlässt. Die Leitschaufeln werden durch Drehen eines Regulierringes 9 betätigt.
Zur Regulierung der Laufschaufeln dient eine im Innern der hohlen Welle 4 verlaufende Verstellstange 10, welche an ihrem untern Ende ein Verstellkreuz 11 trägt und über dieses sowie über Laschen und Hebel mit den Drehzapfen der Laufschaufeln 1 in Wirkungs verbindung steht. Am obern Ende der Ver stellstange 10 ist ein Servomotor 12 angeord net, welcher von einem am obern Ende der Welle 4 befestigten Gehäuse 13 umschlossen ist.
Die Verstellstange 10 weist eine zentrale Bohrung 14 auf, welche über eine Bohrung 15 eines am untern Ende der Verstellstange 10 angefügten Verlängerungsstückes 16 mit der Laufradaustrittseite in Verbindung steht. Das Verlängerungsstück 16 durchdringt die Laufradhaube 3 und bewegt sich bei einer Verschiebung der Verstellstange mit dieser. Das Innere der Laufradnabe ist gegen den Wasserraum durch eine Stopfbüchse 17 abge dichtet.
Die Bohrung 14 dient zur Belüftung der Laufradaustrittseite. Wie aus Fig.2 ersicht lich, ist zu diesem Zweck an dem dem Turbi nenlaufrad entgegengesetzten Ende der Ver stellstange 10 ein mit deren zentralen Boh rung 14 in Verbindung stehendes Rohr 18 angeschlossen.
Der Generator weist eine hohle Welle 19 auf, welche an das Servomotorgehäuse 13 an schliesst. Diese Welle wird von dem Rohr 18 in ihrer ganzen Länge durchdrungen.
Das freie Ende des Rohres 18 steht über ein federbelastetes Abschlussorgan 20 und eine Öffnung 21 eines Luftzufuhrgehäuses 22 mit der Atmosphäre in Verbindung. Das Ab- sehlussorgan 20 gestattet den Zutritt von Luft in das Rohr 18 und damit in die zentrale Bohrung 14 der Verstellstange 10 erst, wenn der Unterdruck an der Austrittsehe des Lauf rades bzw. beider Ausmündung der Bohrung 15 einen solchen Wert erreicht hat, dass der Druckunterschied gegen die Atmosphäre die Federbelastung des Abschlussorgans 20 zu überwinden und dieses zu öffnen vermag.
Durch entsprechende Einstellung der Schliessfeder des Absehhissorzans kann er reicht werden, dass eine Belüftung der Aus trittseite des Laufrades erst bei solchen Unter drücken erfolgt, welche zu den eingangs er wähnten Betriebsstörungen Anlass geben könn ten. Die Luftzufuhr durch die zentrale Boh rung begegnet vor allem jenen Störungen, die sich durch Bildung eines Wirbelkernes in der Strömung an der Laufradaustrittseite bei extremen Betriebsbedingungen ergeben kön nen.
Im weiteren weist der in den Fig. 1 und 2 dargestellte 1-Zasehinensatz noch zusätzliche Einrichtungen auf, welche der Belüftung anderer Stellen, an denen Unterdrücke auf treten können, und insbesondere auch der Eintrittseite des Laufrades dienen. In der innern Deckelkonstruktion 5 sind Kanäle 23 angeordnet, welche einerseits in eine Ring kammer 24 münden, die durch Bohrungen 25 mit dem eintrittseitigen Strömungsraum des Laufrades in Verbindung steht.
Die Ring kammer 24 steht, ferner durch Bohrungen 26 mit einem Ringraum 2 7 der Laufradnabe 2 in Verbindung, von welchem Kanäle 28, 29 an verschiedenen Stellen der Laufradnabe in den Strömungsraum ausmünden.
An der Oberseite der Kanäle 23 schliesst auf einer Seite ein Rohr 30 an, welches eine Verbindung mit der Atmosphäre herstellt.. Diese Einrichtun- ermöglicht somit bei auf tretendem Unterdruck eine Belüftung sowohl der Eintrittseite des Laufrades als auch weiterer Stellen in der Gegend der Laufrad nabe von der Atmosphäre aus.
An dem andern der beiden dargestellten Kanäle 23 schliesst. ein Rohr 31 an, welches beispielsweise mit nicht gezeigten Druck- luftspeichein in Verbindung stehen kann. Schwimmerventile 32 verhindern einen Aus tritt von Flüssigkeit aus dem Strömungsraum durch die Rohre 30 und 31.
In das Rohr 31 ist ein Drosselorgan 33 eingebaut, welches von einer am Regulierring 9 befestigten Gleitbahn 34 aus betätigt wird. Zwischen Drosselorgan 33 und Regulierring 9 besteht eine solche Wirkungsverbindung, dass sieh das Drosselorgan vorzugsweise bei starker Öffnung des Leitapparates, also bei grossem Wasserdurchgang öffnet und auf diese Weise eine Belüftung des Laufrades einleitet.
Ferner sind bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Maschinensatz noch Einrichtun gen vorhanden, welche eine Füllung der Laufradnabe mit Öl ermöglichen. Turbinen welle 4 und Verstellstange 10 sind so ausge bildet, dass zwischen beiden ein freier Ring kanal 35 vorhanden ist. Dieser Ringkanal steht mit dem Innern der Laufradnabe durch Bohrungen 36 in Verbindung und dient zur Zufuhr von Öl ins Nabeninnere.
Mit 37 und 38 sind ferner Rohre bezeich net, welche das Belüftungsrohr 18 um schliessen und wie dieses in der hohlen Generatorwelle 19 verlaufen. Die Rohre 18, 37 und 38 lassen zwischeneinander Ring kanäle frei, welche der Zufuhr von Druck mittel zu den beiden Seiten des Servomotor kolbens 12 dienen. Das äussere Rohr 37 begrenzt mit der hohlen Generatorwelle 19 einen in dieser ver laufenden Ringkanal 39. Dieser steht am untern Ende über ein Verbindungsrohr 40 mit dem Ringkanal 35 der Turbinenwelle in Verbindung. Am obern Ende der Generator welle mündet er in ein rotierendes Ölgefäss 41. Das zur Füllung der Laufradnabe dienende Öl kann von diesem Gefäss aus durch den Ringkanal 39, das Verbindungsrohr 40 und den Ringkanal 35 zufliessen.
Bei voller Füllung bildet sich im Ölgefäss 41 unter dem Einfluss der Rotation eine freie Flüssigkeits- oberfläehe von der Form eines Rotations paraboloides.
Durch diese Anordnung ist es möglich, das Innere der Laufradnabe unter den Druck einer Ölsäule zu setzen, die bis zum obern Ende der Generatorwelle reicht.
In Fig.3 ist eine weitere Ausführungs form der Luftzufuhreinrichtung auf der Seite des freien Generatorwellenendes dargestellt. Es sind hierbei Mittel gezeigt, welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur unter dein Einfluss einer Drehzahlsteigerung des Laufrades gestatten. Diese Mittel bestehen in einem am freien Ende des die Generatorwelle durchdringen den Belüftungsrohres 18 angeordneten Ab sehlussorgan 42, welches von einem Flieh kraftregler mit Fliehgewichten 43 und Feder 44 beherrscht wird.
Diese Feder ist so bemessen, dass bei normaler Drehzahl des Laufrades die Feder kraft den Fliehkräften in der Schliesslage des Abschlussorgans 42 das Gleichgewicht zu hal ten vermag. Sobald aber die Drehzahl des Laufrades einen gewissen Wert überschreitet, überwinden die Fliehkräfte die Federkraft und der Regler bewirkt ein Öffnen des Ab schlussorgans 42. Durch eine solche Belüf tungseinrichtung kann also die Bildung einer instabilen Strömung an der Laufradaustritt- seite, wie sie sonst besonders bei erhöhter Drehzahl infolge Bildung eines Wirbelkernes auftritt, vermieden werden.
Bei der in Fig.4 dargestellten Ausfüh rungsform ist das obere Ende des die Gene ratorwelle durchdringenden Belüftungsrohres 18 von einem Luftzufuhrgehäuse 45 um schlossen. Mit 46 ist. ein Schwimmerventil bezeichnet, welchem wiederum, wie den Schwimmerventilen 32, die Aufgabe zukommt, ein Rückströmen von Flüssigkeit zu ver hindern.
Das Innere des Gehäuses 45 steht durch eine Leitung 47 mit eingebautem Drosselorgan 48 mit der Atmosphäre in Verbindung. Mit 9 ist wiederum der Leitradregulierring bezeich net. An diesem ist eine Gleitbahn 49 befestigt, von welcher aus das Drosselorgan 48 beim Drehen des Regulierringes 9 betätigt wird. Diese Einrichtung gestattet. somit über die Rohre 47 und 18 den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung 14 der Verstellstange in Abhängigkeit von der Öffnung des Leit- apparates der Turbine.
Die Wirkungsverbin dung zwischen Regulierring und Drosselorgan wird dabei zweckmässig so getroffen, dass das Drosselorgan bei Öffnung des Leitapparates zwischen 50 und 100 %, also bei grossem Was serdurchgang geöffnet wird.
Es ist auch möglich, die Anordnung nach Fig. 3 mit jener nach Fig. 4 zu kombinieren, indem im Gehäuse 45 über dem Schwimmer ventil 46 das von der Drehzahlsteigerung ge steuerte Ventil 42 aufgebaut wird. Durch eine solche Einrichtung wird dann ein Zu tritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur bei Öffnung des Leitappa- rates zwischen 50 und 100 % und bei gleich zeitiger Drehzahlsteigerung gestattet.
Statt, wie in den Fig. 2, 3 und 4 darge stellt, der zentralen Belüftungseinrichtung Luft von der Atmosphäre zuzuleiten, kann auch Druckluft beispielsweise von einem Spei cher oder einer Batterie von Speichern benützt werden. Diese Druckluft kann dann in Abhängigkeit von einer Regelgrösse, wie der Drehzahl des Laufrades oder der Stellung des Leitradregulierringes bzw. der Leitrad- öffnung, der zentralen Bohrung der Ver stellstange zugeführt werden.
In Fig. 5 ist endlich noch eine Variante für die Ausbildung der Ölzuführung zur Lauf radnabe im Bereich des obern Endes der Generatorwelle dargestellt. Diese Ausbildung ist besonders zweckmässig bei hohen Dreh zahlen, bei welchen die freie Oberfläche des Öls im Gefäss 41 der Fig. 2 allzu steil ver laufen würde. Nach Fig.5 ist hierbei am obern Ende der Generatorwelle 19 ein Ring 50 befestigt. Ein weiterer Ring 51 ist mit dem Rohr 37 fest verbunden, welches mit der Generatorwelle 19 den der Zufuhr des Öls rum Innern der Laufradnabe dienenden Ring kanal 39 begrenzt. Beide Ringe 50 und 51 stehen an ihren Stirnseiten mit Dichtungs ringen 52 in Kontakt, welche an einem fest stehenden Gehäuse 53 befestigt sind.
Die Dichtungsringe 52 werden durch den Druck von Federn 54 an die Ringe 50 und 51 ge presst, so dass eine einwandfreie Diehtnng möglich ist, wenn das Innere des Gehäuses 53 über eine in dieses einmündende Leitung 55 mit Öl gefüllt wird.
Die Leitung 55 schliesst an ein nicht ge zeigtes ortsfestes Ölreservoir an, welches im Masehinenhaus in beliebiger Höhe angeordnet werden kann, und zwar in wesentlich höherer Lage als die Turbine, unter Umständen sogar über dem Oberwasserspiegel der Turbine. Durch eine solche Einrichtung wird also das zur Füllung der Laufradnabe dienende Öl unter Druck von einem festen Reservoir aus dem Wellensystem 4, 19 zugeleitet. Das Innere der Laufradnabe kann somit unter einen beträchtlichen Öldruck gesetzt werden, wodurch die Sicherheit gegen Eindringen von Wasser erhöht wird.
Um bei Regelvorgängen eine Zirkulation von Öl in den Ringkanälen 35 und 39 der Turbinen- bzw. Generatorwelle tunlichst zu vermeiden, werden die Verstellstange 10 und das Verlängerungsstück 16 zweckmässig mit gleichem äusserem Durchmesser ausgeführt, so dass sieh bei einer Bewegung des Laufrad verstellmechanismus der Flüssigkeitsinhalt der Laufradnabe nicht ändert, also weder Öl verdrängt noch angesogen wird.