CH671268A5

CH671268A5 - Wasserkraftanlage.

Info

Publication number: CH671268A5
Application number: CH5153/86A
Authority: CH
Inventors: Kurt Baumann
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1986-12-24
Filing date: 1986-12-24
Publication date: 1989-08-15
Also published as: DE3702701A1

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einem von Wasser durchströmten Laufrad und einer Druckwasser-Zuleitung, sowie einem Saugrohr, wobei wenigstens der Ansatz der Zuleitung und des Saugrohres mit der Laufrad-Achse fluchtend angeordnet sind.

Solche Wasserkraftanlagen dienen beispielsweise der Erzeugung elektrischer Energie, wobei das Laufrad zu einer Reaktions-Wasserturbine, z. B. vom Francis-, Kaplan- oder Propeller-Typ gehört und mit einer Welle mit einem elektrischen Generator verbunden ist. Umgekehrt können solche Anlagen jedoch auch zur Speicherung überschüssiger Energie dienen, wobei die elektrische Maschine über die Welle das Laufrad antreibt und somit Wasser in umgekehrter Richtung auf ein höheres Niveau pumpt. Kombinierte Anlagen, mit welchen bei grossem Energiebedarf das Laufrad als Turbine wirkt und elektrische Energie erzeugt, bei geringem Energiebedarf jedoch als Pumpe wirkt und überschüssige Energie speichert, sind als Pumpturbinen bekannt.

Bei Francis- oder Kaplan-Turbinen für grössere Fallhöhen und grosse Leistungen erfolgt in der Regel die Druckwasserzufuhr, vermittelt eines das Laufrad umgebenden Spiralgehäuses, welches das Wasser dem Laufrad in zentripetaler Richtung mit einem gewissen Drall zuführt, um einen optimalen Wirkungsrad zu erreichen, wie vielfach beschrieben, beispielsweise in US 1076 617. Bei mehrstufigen Turbinen oder Pumpen ist in der Regel die erste Stufe mit einer Einlaufspirale versehen. Solche Spiralen haben jedoch einen erheblichen Platzbedarf, da deren Abmessungen die des Laufrades um ein Mehrfaches übersteigen, und erfordern eine komplizierte und teuere Herstellung.

Die Erfindung setzt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere eine Wasserkraftanlage zu schaffen, welche kleinere Abmessungen aufweist, eine einfachere Konstruktion besitzt und sich leichter und billiger herstellen lässt, sowie eine flachere Wirkungsgradkurve, d. h. einen grösseren Bereich optimalen Wirkungsgrades aufweist.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass direkt zwischen dem Ansatz der Druckwasser-Zuleitung und dem Laufrad ein drehsymmetrischer Wasserumlenkraum vorgesehen ist, welcher derart gestaltet ist, dass die Wasserströmung zunächst in eine Richtung mit zentrifugaler Komponente und anschliessend in eine Richtung mit zentripetaler Komponente zum Laufrad hin umgeleitet wird, wobei im zentrifugalen Teil des Umlenkraumes Leitschaufeln zur Drallerzeugung und im zentripetalen Teil des Umlenkraumes weitere Leitschaufeln zur Lastregelung des Laufrades vorgesehen sind.

Bei solchen erfindungsgemässen Wasserkraftanlagen kann auf eine Einlaufspirale vollständig verzichtet werden, wobei aber trotzdem die zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades erforderlichen Strömungsverhältnisse am Einlauf zum Laufrad erreichbar sind. Die Reguliermöglichkeit ist dabei so verbessert, dass sich ein breiterer Bereich optimalen Wirkungsgrades ergibt als bei vorbekannten Wasserkraftanlagen.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren wiedergegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Wasserkraftanlage mit einer vertikalen Francis-Turbine,

Fig. 2 eine Wasserkraftanlage mit einer horizontalen Francis-Turbine, und

Fig. 3 eine Wasserkraftanlage mit einer vertikalen Kaplan-Turbine.

Fig. 1 zeigt eine Wasserkraftanlage mit einer Francis-Tur-bine 1 mit einem Laufrad 2 mit vertikaler Achse A. Fluchtend zur Laufrad-Achse A sind der Ansatz der Druckwasserzuleitung 3 und des Saugrohres 4 angeordnet, wobei die Durchmesser der Zuleitung 3 des Laufrades 2 und des Saugrohres 4 in der gleichen Grössenordnung, z. B. von einigen Metern liegen. Das Laufrad 2 ist an einer Welle 5 befestigt, welche einen elektrischen Generator 6 antreibt.

Direkt zwischen dem Ansatz der Zuleitung 3 und dem Turbinen-Laufrad 2 ist ein drehsymmetrischer Umkehrraum 7 vorgesehen, dessen Form, ebenso wie die desTurbinendek-kels 8 so gewählt ist, dass die in der Zuleitung vertikal nach unten gerichtete Wasserströmung zunächst mit einer zentrifugalen Richtungskomponente nach aussen abgelenkt wird. Die Umlenkrichtung kann dabei nahezu rein zentrifugal sein oder eine gewisse Diagonalkomponente enthalten, welche jedoch die Zentrifugalkomponente nicht übersteigen sollte. Mittels einer Anzahl von Schaufeln 9 im zentrifugalen Teil des Umlenkraumes 7 erhält die Strömung dabei einen

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gewünschten und zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades erforderlichen Drall. Die Schaufeln 9 können dabei verstellbar sein. Anschliessend wird die Strömung durch die Form des Umlenkraumes 7 zentripetal in Richtung auf den Einlass des Laufrades 2 umgelenkt, wobei auch hier eine diagonale Richtungskomponente vorhanden sein kann. Im zentripetalen Teil des Druckraumes 7 sind unmittelbar vor dem Eintritt in das Laufrad 2 verstellbare Leitschaufeln 10 vorgesehen, mit denen der Eintritt in das Laufrad 2 zum Zwecke der Lastregelung geöffnet oder geschlossen werden kann. Nach Durchströmung des Laufrades 2 fliesst das Wasser im Saugrohr 4 in vertikaler Richtung nach unten ab.

Der Umlenkraum 7 kann aus mehreren Stücken zusammengesetzt, beispielsweise geschweisst sein, weiche die Form vonTorus-Abschnitten aufweisen, welche auf ähnliche Weise hergestellt werden können, wie dies bei im Pressverfahren fabrizierten Kesselböden bekannt ist. Ein solcher drehsymmetrischer Umlenkraum lässt sich somit wesentlich einfacher herstellen als das bisher erforderliche komplizierte Spiralgehäuse. Die Abmessungen sind zudem nur geringfügig grösser als die des Turbinen- Lauf- und Leitrades, auf jeden Fall wesentlich kleiner als die der bekannten Einlaufspiralen. Ausserdem zeigte sich, dass eine Wasserkraftanlage mit torusförmigem Umlenkraum, sowie drallerzeugenden Leitschaufeln im zentrifugalen Teil und weiteren verstellbaren Leitschaufeln im zentripetalen Teil der Umlenkraumes eine bessere Regulierbarkeit besitzt, d. h. eine flachere Wirkungsgradkurve zu erzielen gestattet.

Besonders günstige Verhältnisse ergaben sich, wenn die Achse der drallerzeugenden Schaufeln 9 diagonal gerichtet ist, während die Leitschaufeln 10 eine angenähert achsparallele Verstellachse aufweisen. Günstige Ergebnisse lassen sich jedoch auch mit anderer Achsenneigung der Leitschaufeln 9 und 10 erzielen.

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Figur 2 zeigt eine ähnliche Wasserkraftanlage mit einer Francis-Turbine 1 mit horizontaler Achse A. Analoge Teile sind in diesem Ausführungsbeispiel mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in Fig. 1. Zum Unterschied zum ersten 5 Ausführungsbeispiel ist hier die Welle 5 des Laufrades 1 in Strömungsrichtung durch das Saugrohr 4 zum elektrischen Generator geführt. Die Wirkung und die technischen Vorteile sind bei dieser Anlage genau analog zu denen des Beispieles nach Fig. 1.

io Fig. 3 zeigt ein weiteres Beispiel, welches sich von dem nach Fig. 1 dadurch unterscheidet, dass anstelle einer Francis-Turbine 1 eine Kaplan-Turbine 11 mit verstellbaren Laufschaufeln 12 verwendet wird. Die übrigen Einzelheiten stimmen weitgehend überein. Es zeigt sich, dass sich auch bei 15 Verwendung von Kaplan- und Propeller-Turbinen mit einem vorgeschalteten Umlenkraum mit zentrifugalem und zentripetalem Teil wiederum die gleichen Vorteile erreichen lassen, wie bei Wasserkraftanlagen, die mit Francis-Turbinen arbeiten. Statt einer Kaplan-Turbine mit verstellbaren Lauf-20 schaufeln kann im übrigen auch eine Propeller-Turbine mit festen Laufschaufeln mit Vorteil mit einem vorgeschalteten Umlenkraum versehen sein.

Es sei bemerkt, dass die Anwendung der erfindungsge-mässen Merkmale nicht auf die in den vorstehend beschrie-25 benen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, bei denen das Laufrad zu einer der Erzeugung elektrischer Energie dienenden Wasserturbine gehört, sondern mit gleichem Vorteil auch bei Wasserkraftanlagen mit umgekehrter Strömungsrichtung erfolgen kann, d. h. bei Speicherpumpen, zur Spei-30 cherung überschüssiger elektrischer Energie oder bei beiden Zwecken wahlweise dienenden Wasserkraftanlagen, bei denen das Laufrad einer Pumpturbine zugeordnet ist. Im Pumpbetrieb sind dabei natürlich Zuleitung und Abfluss miteinander vertauscht.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

671268 PATENTANSPRÜCHE

1. Wasserkraftanlage mit einem von Wasser durchströmten Laufrad (1,2) und einer Druckwasser-Zuleitung (3) sowie einem Saugrohr (4), wobei wenigstens der Ansatz der Zuleitung (3) und des Saugrohres (4) mit der Laufrad-Achse (A) fluchtend angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass direkt zwischen dem Ansatz der Druckwasser-Leitung (3) und dem Laufrad (1,2) ein drehsymmetrischer Wasserumlenkraum (7) vorgesehen ist, welcher derart gestaltet ist, dass die Wasserströmung zunächst in eine Richtung mit zentrifugaler Komponente und anschliessend in eine Richtung mit zentripetaler Komponente zum Laufrad (2) hin umgeleitet wird, wobei im zentrifugalen Teil des Umlenkraumes (7) Schaufeln (9) zur Drallerzeugung und im zentripetalen Teil des Umlenkraumes (7) Leitschaufeln (10) zur Lastregelung des Laufrades (1) vorgesehen sind.

2. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umlenkraum (7) wenigstens einen Abschnitt in der Form eines Torus-Abschnittes aufweist.

3. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Schaufeln (9) eine Richtung aufweisen, welche eine überwiegende Komponente parallel zur Laufrad-Achse (A) besitzt.

4. Wasserkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrifugale Teil des Umlenkraumes (7) so ausgebildet ist, dass die Wasserströmung in diesem eine überwiegend zentrifugale Richtungskomponente aufweist.

5. Wasserkraftanlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln (9) verstellbar sind.

6. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (10) eine wenigstens angenähert achsenparallele Verstellachse besitzen.

7. Wasserkraftanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zentripetale Teil des Umlenkraumes (7) so gestaltet ist, dass die Strömungsrichtung in diesem eine überwiegend zentripetale Richtungskomponente aufweist.

8. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (1,2) in der Form einer Francis-Turbine ausgebildet ist.

9. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (11,12) als Rotor einer Kaplan- oder Propeller-Turbine ausgebildet ist.

10. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 -7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad der Rotor einer Kreiselpumpe oder Pumpturbine ist.