DE10017478A1

DE10017478A1 - Wasserturbine mit Düsenantrieb

Info

Publication number: DE10017478A1
Application number: DE10017478A
Authority: DE
Inventors: Edward Neurohr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2000-04-07
Publication date: 2001-02-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine mit senkrechter Achse für relativ geringe Fallhöhen, bei der das Laufrad (1) aus einer kreisförmigen Scheibe (11) mit vier eingelassenen Zulaufkammern (12) für Rechteckdüsen (15) besteht. Das Drehmoment wird durch die Reationskraft der Wasserstrahlen, die aus den exzentrisch zur Welle angeordneten Düsen austreten, erzeugt. DOLLAR A Anschließend werden die Wasserstrahlen durch einen Strahlablenker (4) vertikal nach unten gerichtet, und durch das Abflußrohr (5) dem Unterwasser zugeführt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine mit senkrechter Achse für relativ geringe Fallhöhen, bei der das Drehmoment durch die Reaktionskraft von Wasserstrahlen - die aus horizontal und exzentrisch angeordneten Düsen des Laufrades austreten - erzeugt wird.

Stand der Technik

Als typische Turbinen für relativ geringe Fallhöhen werden z. Z. überwiegend die Kaplan-Turbine und ihre einfacheren Varianten, wie Rohr- und Propellerturbinen, eingesetzt.

Die Kaplan-Turbine ist eine axial beaufschlagte Überdruckturbine, bei der das Laufrad mit meh reren Schaufeln bestückt ist. Die Richtung des Wasserstroms wird durch die spezielle Form der Schaufeln geändert, wodurch die Drehbewegung des Laufrades entsteht.

Eine gänzlich radiale Umlenkung des Triebwassers ist durch die Bauweise des Laufrades nicht möglich, und damit wird dem hydraulischen Wirkungsgrad der Turbine eine Obergrenze gesetzt. Anschließend wird das Wasser beim Übergang in die Saugleitung wieder in Axialrichtung umge lekt, wodurch zusätzliche Druckverluste entstehen.

Die genannten Nachteile machen sich besonders bei kleineren Einheiten bemerkbar.

Außerdem ist die Kaplan-Turbine wegen des erforderlichen Leitapparates relativ teuer. Die ein facheren Varianten hingegen weisen einen guten Wirkungsgrad nur in ihrem Auslegungbereich auf.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung ist allgemein eine hydraulische Strömungsmaschine und insbesondere eine Reak tionsturbine mit Düsenlaufrad, die eine relativ einfache Bauweise hat, und beim Einsatz in Klein wasserkraftwerken einen hohen hydraulischen Wirkungsgrad gewährleisten kann.

Die Turbine hat eine vertikalachsige Aufstellung. Die Nennfallhöhe h ist - ähnlich wie bei einer Pelton-Turbine - durch den Abstand zwischen Oberwasserspiegel und Düsenachsen bestimmt. Das Laufrad 1 besteht aus einer horizontalen, kreisförmigen Metallscheibe 11 mit einer ringför migen Aufkantung 14, die den gleichen Durchmesser DN wie das oberhalb angeordnete Druck rohr 3 hat.

In die Laufradscheibe 11 sind vier rechteckige Vertiefungen 12 als Zulaufkammern eingelassen, die hydraulisch günstige Ausrundungen 13 aufweisen.

An der Vorderseite jeder Zulaufkammer befindet sich jeweils eine horizontal angeordnete Düse 15 mit einem rechteckigen Austrittsquerschnitt 16 für den Wasserstrahl.

Das Triebwasser aus der senkrechten Druckleitung wird in den Zulaufkammern umgelenkt und den Düsen zugeleitet.

Die Rückseite 18 der Zulaufkammer steht in Höhe der Düsenöffnung 16 absolut senkrecht, und befindet sich somit perpendikular zur Reaktionskraft R des austretenden Wasserstrahls.

Der Boden 19 der Zulaufkammer hat einen elliptischen Verlauf in Düsenrichtung. Die Verbindung zwischen Kammerboden und Düse wird duch einen Kreisbogen π/2 realisiert.

Der Hebelarm b der Reaktionskraft ergibt sich aus dem Abstand zwischen Düsenmitte und Lauf radachse. Somit wird das Laufrad durch das Gesamtdrehmoment 4 . R . b in Bewegung gesetzt. Die Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahls aus der Düsenöffnung beträgt: v = α . (2gh)^1/2. Da die Ausflußzahl α bei hydraulisch optimierten Auslauföffnungen sehr nahe an den Wert 1 he rankommt, ist die Austrittsgeschwindigkeit praktisch nur von der Nettofallhöhe h abhängig. Somit kann die Dimensionierung der Düsenaustrittsquerschnitte A_ges in Abhängigkeit vom Be messungsdurchfluß der Turbine Q und der Fallhöhe h einfach mit der Kontinuitätsgleichung: A_ges = Q/v durchgeführt werden.

Die Düsen haben die gleiche Breite bd wie die Zulaufkammern. Die Düsenhöhe hd ergibt sich aus der Beziehung: hd = A_ges/(4 . bd).

Die Flugbahn 17 des austretenden Wasserstrahls, die aus den parametrischen Gleichungen der Austrittsgeschwindigkeit und der Drehgeschwindigkeit des Laufrades resultiert, darf die benach barte Zulaufkammer 12 nicht berühren, denn dadurch würde sich der Wirkungsgrad der Turbine beträchtlich reduzieren. Diese Bedingung kann auch bei variabler Fallhöhe erfüllt werden, weil zwischen der Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahls und der Drehzahl des Laufrades eine lineare Beziehung besteht.

Nach der Nutzung der Reaktionskraft des Wasserstrahls, wird dieser durch den Strahlablenker 4 vertikal nach unten gerichtet und durch das Abflußrohr 5 dem Unterwasser zugeführt.

Eine Saugleitung wie bei den Überdruckturbinen (Kaplan- und Francis-Turbine) ist hier nicht er forderlich.

Die hydromechanische Energie wird über die Welle 2 des Laufrades an den elektrischen Gene rator 7 weitergegeben.

Um eine optimale Drehzahl für die Stromerzeugung zu erzielen, kann zwischen Turbine und Ge nerator ein Übersetzungsgetriebe 6 eingesetzt werden.

Die besondere Eigenschaft der Turbine mit Düsenantrieb, daß die Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahls aus den Düsen praktisch nur von der Fallhöhe h abhängig ist, bietet denn wichti gen Vorteil, die Fließgeschwindigkeit in der Druckleitung so festlegen zu können, daß selbst bei maximaler Fallhöhe die Druckverluste gering bleiben, und somit ein hoher Wirkungsgrad erzielt wird. Bei Reduzierung der Fallhöhe geht die hydraulische Leistung der Turbine entsprechend zu rück, aber der Wirkungsgrad bleibt weiterhin hoch.

Somit weist die Turbine mit Düsenantrieb, bei einer relativ einfachen Bauweise, einen hohen Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Belastungen auf.

Durch die besondere Gestaltung des Übergangs von der Druckleitung zum Diffusor sind die Wasserverluste am Rande des Laufrades voraussichtlich geringer als bei einer Kaplan-Turbine.

Zeichnungsliste

Fig. 1 Draufsicht Laufrad

Fig. 2 Seitenansicht Laufrad

Fig. 3 Schnitt A-A durch das Laufrad

Fig. 4 Axialschnitt der Turbine bei kleineren Einheiten

Fig. 5 Axialschnitt der Turbine bei größeren Einheiten

Fig. 6 Schnitt B-B durch Laufrad und Strahlablenker (Diffusor)

Fig. 7 Axialschnitt Düse

Bezugszeichenliste

1

Laufrad

11

Laufradscheibe

12

Zulaufkammer

13

Ausrundung der Zulaufkammer

14

ringförmige Aufkantung der Scheibe

15

Düse

16

Düsenöffnung

17

Flugbahn des Wasserstrahls

18

Rückseite der Zulaufkammer

19

Boden der Zulaufkammer

2

Welle

21

oberes Wellenlager

22

unteres Wellenlager

3

Druckleitung

4

Strahlablenker (Diffusor)

5

Auslaufrohr

6

Übersetzungsgetriebe

7

Generator
h Fallhöhe
Q Bemessungsdurchfluß
DN Durchmesser Druckleitung
R Reaktionskraft des Wasserstrahls
b Hebelarm der Reaktionskraft
v Austrittsgeschwindigkeit des Wasserstrahls
bd Breite der Düsenöffnung
hd Höhe der Düsenöffnung
A_ges

Gesamtfläche der Austrittsquerschnitte

Claims

1. Wasserturbine mit Düsenantrieb, bestehend aus einer Druckleitung (3), einem Laufrad (1) mit senkrechter Welle (2) und aus einem Auslaufrohr (5), dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad mit horizontal und exzentrisch angeordneten Düsen (15) bestückt ist, und daß sich zwischen der Druckleitung und dem Auslaufrohr ein Strahlablenker befindet.

2. Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad aus einer kreis förmigen Scheibe (11) besteht, die größer als der Durchmesser der Druckleitung ist.

3. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich auf der Laufradscheibe eine ringförmige Aufkantung (14) befindet, die den gleichen Durchmesser wie die Druckleitung hat.

4. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Laufrad scheibe vier rechteckige Zulaufkammern (12) eingelassen sind, die hydraulisch günstige Ausrundungen (13) aufweisen.

5. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der Vorder seite jeder Zulaufkammer jeweils eine horizontale Rechteckdüse (15) angebracht ist, die ge nau so breit wie die Zulaufkammer ist.

6. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (19) der Zulaufkammern einen elliptischen Verlauf in Düsenrichtung hat, und daß die Verbindung zwischen dem Boden und der Düse durch einen Kreisbogen π/2 realisiert wird.

7. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückseite (18) der Zulaufkammern in Höhe der gegenüberliegenden Düsenöffnungen senkrecht ist.

8. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flugbahn (17) des aus den Düsen austretenden Wasserstrahls die benachbarte Zulaufkammer (12) nicht berührt.

9. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe (hd) der Düsenaustrittsöffnungen in Abhängigkeit von dem Bemessungsdurchfluß (Q) und der Fall höhe (h) berechnet wird.

10. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Axialschnitt der Düsen nach den in Fig. 7 dargestellten Verhältnissen gestaltet ist.

11. Wasserturbine nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlab lenker (4) einen Öffnungswinkel von 45° nach unten aufweist.