-
Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen an der Laufradnabe
von Kaplanturbinen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung von
Kavitationserscheinungen an der Laufradnabe von Kaplanturbinen mittels Zuführung
einer regelbaren Luftmenge durch die hoble Turbinenwelle an die Außenfläche des
saugseitigen Teiles der Laufradnabe.
-
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 und dabei Geräusche und Erschütterungen
auslösen können. Solche Erscheinungen können durch Luftzufuhr zu jenen Stellen,
an denen die genannten Unterdrücke auftreten, vermindert oder ganz vermieden werden.
-
Bei Schnelläufer-Francisturbinen ist zu dieseln Behufe schon vorgeschlagen
worden, dem Spaltraum zwischen Leitrad und Laufrad oder der Austrittseite des Laufrades
bei Teilbelastung Luft zuzuführen. Gemäß diesem Vorschlag erfolgt die Luftzufuhr
im letzteren Falle durch Bohrungen in der Laufradnabe, welche die Verbindung zwischen
der belüfteten Oberseite der Laufradnabe und dem Strömungsraum auf der Austrittseite
des Laufrades herstellen. Die Luft wird hierbei von der Atmosphäre her angesaugt
oder unter Vermittlung von Verdichtervorrichtungen eingeführt. Es wurde hierbei
auch vorgeschlagen, die Luftmenge durch besondere Vorrichtungen nach dem Grade der
Belastung zu regeln.
-
Eine Luftzufuhr zur Austrittseite eines Wasserturbinenlaufrades ist
ferner schon in Verfolgung anderer Zwecke, nämlich zur selbsttätigen Turbinenregulierung
mittels Gefälleveränderung bekanntgeworden. Um das Sauggefälle der Turbine zu verändern,
wird hierbei durch eine zentrale Bohrung der Turbinenwelle der Austrittseite des
Laufrades Luft zugeführt. Das Sauggefälle wird so in Anpassung an den wechselnden
Kraftbedarf durch Heben oder Senken des Unterwasserspiegels verändert, um möglichst
gleiche Geschwindigkeit der Turbine zu erzielen. Die Luftzufuhr wird dabei durch
einen Drehzahlregler der Turbine beherrscht.
-
Ferner ist ein Verfahren zur Vermeidung von Kavitationserscheinungen
an Laufradnaben von Spiralturbinen durch Luftzufuhr an die Nabenaußenfläc,he bekanntgeworden,
bei welchen die Luft durch eine zu schaffende oder .schon vorhandene, jedoch für
andere Zwecke, z. B. Montagezwecke oder Regulierung, benutzte Bohrung der Turbinenwelle
.d,erAußenfläche der Läufernabe in vorher bestimmter oder regelbarer Menge zugeführt
wird. Zur Beeinflussung der zugeführten Luftmenge wird in diesem Falle eine fest
angeordnete Drosselscheibe bzw. eine von außen zugängliche Regulierschraube oder
ein Ventil am Außenende oder an, einer anderen Stelle der Wellenbohrung angeordnet.
-
Bei Kaplanturbinen wird durch die zentrale Bohrung der Turbinenwelle
in der Regel eine zur Verstellung der Laufradschaufeln dienende Verstellstange durchgeführt.
Der in der zentralen Bohrung verbleibende Raum wird vorzugsweise für die Ölzufuhr
zum Innern der Laufradnabe verwendet. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die
Verstellstange selbst mit einer zentralen Bohrung zu versehen, um durch diese der
einen Seite des Servomotorkolbens Drucköl zuzuführen.
-
Wenn die Nabe mit Öl gefüllt ist, ist es nicht ohne weiteres möglich,
durch den neben der Verstellstange frei bleibenden Raum der zentralen Bohrung der
Turbinenwelle den Strömungskern an der Austrittseite des Laufrades zu belüften.
Gemäß der Erfindung wird nun eine solche Belüftung in einfacher und in einer den
besonderen Betriebsbedingungen der gaplanturbine angepaßten `'eise dadurch erreicht,
daß die zur Verstellung der Laufradschaufeln dienende Verstellstange in an sich
bekannter Weise eine zentrale Bohrung aufweist, und daß diese Bohrung über eine
zentrale Bohrung eines die Laufradnabe koaxial durchdringenden Verlängerungsstückes
der Verstellstange mit der Austrittseite des Laufrades in Verbindung steht.
-
Die Belüftung der Austrittseite des Laufrades erfolgt hierbei durch
Luftzufuhr zur der genannten zentralen Bohrung der Verstellstange. Zu diesem Behufe
wird zweckmäßig an dem dem Turbinenlaufrad entgegengesetzten Ende der Verstellstange
ein mit deren zentraler Bohrung in Verbindung stehendes, der Luftzufuhr
dienendes
Rohr angeschlossen, welches die ganze Welle des von der Turbine angetriebenen Generators
durchdringt.
-
Da die eingangs erwähnten instabilen Strömungszustände besonders bei
Überdrehzahl, das heißt bei einer den normalen Betriebsdrehzahlbereich übersteigenden
Drehzahl des Laufrades auftreten, ist es vorteilhaft, die Luftzufuhr unter den Einfluß
von Mitteln zu stellen, -welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der
Verstellstange nur dann gestatten, wenn die Drehzahl des Laufrades den normalen
Betri.ebsdrehzahlbereich um einen gewissen Wert überschreitet.
-
In den Zeichnungen sind Beispiele von Ausführungsformen einer erfindungsgemäß
ausgebildeten Einrichtung an einer hydroelektrischen Anlage dargestellt, an Hand
welcher auch die Funktionsweise erläutert -wird. Es zeigt Fig. 1 einen vertikalen
Längsschnitt durch den Turbinenteil eines hydroelektrischen Maschinensatzes, Fig.
2 einen axialen Längsschnitt 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.
-
Die in Fig. 1 dargestellte Kaplanturbine -weist ein aus drehbaren
Laufschaukeln 1 und einer Nabe 2 mit Haube 3 bestehendes Laufrad auf, welches am
unteren Ende einer hohlen Welle 4 befestigt ist. Eine innere Deckelkonstruktion
5 und eine äußere Deckelkonstruktion 6 bilden die Begrenzung des Str5mungsraumes
nach oben. Das Wasser durchströmt nacheinander eine Stützschaufelkonstruktion 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 unteren Ende ein Verstellkreuz
11 trägt und über dieses sowie über Laschen und Hebel mit den Drehzapfen der Laufschaufeln
1 in Wirkungsverbindung steht. Am oberen Ende der Verstellstange 10 ist ein Servomotor
12 angeordnet, welcher von einem am oberen 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 unteren Ende der V erstellstange 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 abgedichtet.
-
Die Bohrung 14 dient zur Belüftung der Laufradaustrittseite.Wie aus
Fig. 2 ersichtlich, ist zu diesem Zweck an dem dem Turbinenlaufrad entgegengesetzten
Ende der Verstellstange 10 ein mit deren zentralen Bohrung 14 in Verbindung stehendes
Rohr 18 angeschlossen. Der Generator weist eine hohle Welle 19 auf, welche an das
Servomotorgehäuse 13 anschließt. Diese Welle wird von dem Rohr 18 in ihrer ganzen
Länge durchdrungen.
-
Das Rohr 18 steht über ein federbelastetes Abschlußorgan 20 und eine
Öffnung 21 eines Luftzufuhrgehäuses 22 mit der Atmosphäre in Verbindung. Das Abschlußorgan
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 Austrittseite des Laufrades,
bzw. bei der 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 Abschlußorganes
kann erreicht werden, daß eine Belüftung der Austrittseite des Laufrades erst bei
solchen Unterdrücken erfolgt, welche zu den eingangs erwähnten Betriebsstörungen
Anlaß geben könnten.
-
Da nun die zentrale Bohrung der Verstellstange für die Luftzufuhr
zur Austrittseite der Laufradnabe dient, sind für die Druckmittelzufuhr zum Servomotor
und zur Ölfüllung der Nabe andere Strömungswege vorzusehen. Turbinenwelle 4 und
Verstellstange 10 sind so ausgebildet, daß zwischen beiden ein freier Ringkanal
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 bezeichnet, welche das Belüftungsrohr
18 umschließen und wie diese; in der hohlen Generatorwelle 19 verlaufen. Die Rohre
18, 37 und 38 lassen zwischeneinander Ringkanäle frei, welche der Zufuhr von Druckmittel
zu den beiden Seiten des Servomotorkolbens 12 dienen.
-
Das äußere Rohr 37 begrenzt mit der hohlen Generatorwelle 19 einen
in dieser verlaufenden Ringkanal 39. Dieser steht am unteren Ende über ein Verbindungsrohr
40 mit dem Ringkanal 35 der Turbinenweile in Verbindung. Am oberen Ende der Generatorwelle
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.
-
In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform 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 dann gestatten, wenn die Drehzahl des Laufrades den normalen Betriebsdrehzahlbereich
um einen gewissen Wert überschreitet. Diese Mittel bestehen in einem am freien Ende
des die Generatorwelle durchdringenden Belüftungsrohres 18 angeordneten Abschlußorgan
42, welches von einem Fliehkraftregler mit Fliehgewichten 43 und Feder 44 beherrscht
wird.
-
Diese Feder ist so Beinessen, daß bei normaler Drehzahl des Laufrades
die Federkraft den Fliehkräften in der Schließlage -des Abschlußorgans 42 das Gleichgewicht
zu halten vermag. Sobald aber die Drehzahl des Laufrades einen gewissen Wert überschreitet,
überwinden die Fliehkräfte die Federkraft, und der Regler bewirkt ein Öffnen des
Abschlußorgans 42. Durch eine solche Belüftungseinrichtung kann also die Bildung
einer instabilen Strömung an der Laufradaustrittseite, -wie sie sonst besonders
bei erhöhter Drehzahl infolge Bildung eines Wirbelkernes auftritt, vermieden -werden.
-
Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform ist das obere Ende
des die Generator-welle durchdringenden Belüftungsrohres 18 von einem Luftzufuhrgebäuse
45 umschlossen. Mit 46 ist ein Schwimmerventil bezeichnet, welchem die Aufgabe zukommt,
ein Rückströmen von Flüssigkeit zu verhindern.
-
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 bezeichnet. 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
Leitapparates der Turbine. Die Wirkungsverbindung zwischen Regulierring und Drosselorgan
wird dabei zweckmäßig so getroffen, daß das Drosselorgan nur bei großer Öffnung
des Leitapparates, also bei großem Wasserdurchgang geöffnet wird.
-
ES ist auch möglich, die Anordnung nach Fig.3 mit jener nach Fig.
4 zu kombinieren, indem im Gehäuse 45 über dem Schwimmerventil 46 das von der Drehzahlsteigerung
gesteuerte Ventil 42 aufgebaut wird. Durch eine solche Einrichtung wird dann ein
Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur bei einer großen
Öffnung des Leitapparates und bei gleichzeitiger Drehzahlsteigerung gestattet.
-
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 sich bei einer Bewegung des Laufradverstellmechanismus der Flüssigkeitsinhalt
der Laufradnabe nicht ändert, also weder 01 verdrängt noch angesogen wird.