DE1009118B - Wasserturbine oder Pumpe mit feststehenden Leit- und Laufschaufeln und einer zum Zwecke der Durchflussregelung axial verschiebbaren kegeligen Leitflaeche - Google Patents

Description

• Wasserturbine oder Pumpe mit feststehenden Leit- und Laufschaufeln und einer zum Zwecke der Durchflußregelung axial verschiebbaren kegeligen Leitfläche Bei doppelt geregelten Kaplanturbinen, bei denen die Leit- und Laufschaufeln verstellt werden, sind zwei Verstellvorrichtungen und eine beide Vorrichtungen koppelnde Kurvensteuerung erforderlich, die erhebliche Mehrkosten gegenüber der einfach geregelten Francis-Turbine beanspruchen. Es erscheint daher wünschenswert, die Vorteile des flachen Wirkungsgradverlaufes, wie er durch die Doppelregelung erzielt werden kann, mit weniger kostspieligen Mitteln auch bei im wesentlichen axial angeströmten Laufrädern zu erzielen, und es wurden verschiedentlich dahingehende Vorschläge gemacht.
• So ist es bekannt, bei einer Turbine.mit feststehenden Leit- und Laufschaufeln einen mit dem allerdings im wesentlichen radial durchflossenen Laufrad mitrotierenden Boden in Verbindung mit einer Zylinderschleuse axial verschiebbar anzuordnen, wodurch die wasserführende Länge der Leit- und Laufschaufeln und damit die Beaufschlagung verändert wird. Die Vereinfachung der Regelung wurde damit erreicht. Das Ziel des flachen Wirkungsgradverlaufes konnte nicht verwirklicht werden, weil wegen der benutzten Form des Bodens bei dessen Axialverschiebung die Längen der Laufschaufelein- und -austrittskanten nicht in demselben Verhältnis verändert wurden. Der Boden grenzte die Strömung bei Teillast nämlich nicht auf einer Flutfläche ab, woraus folgt, daß die An-und Abströmwinkel der Laufschaufeln nicht denen des Geschwindigkeitsdiagramms entsprachen, die auf Grund der Turbinen-Hauptgleichung errechnet wurden. Dies hatte jedoch einen Abfall des Wirkungsgrades bei kleineren Beaufschlagungen zur Folge.
• Bei Fliehkraftpumpen. ist ferner die Teilung der Laufschaufeln in zwei Hälften bekannt, von denen die einen am festen Laufradboden und die anderen Schaufelhälften an einem axial verschiebbaren, mit-=laufenden Böden befestigt sind, wodurch die Kanalbreite unddamit die Beaufschlagung verändert werden kann. Für nur kleine Änderungen kann auch die ungeteilte Laufschaufel in Nuten im verschiebbaren Boden versenkt werden.
• Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Beaufschlagung nicht mehr als bis zur Hälfte verringert werden kann, da sonst die Laufschaufelhälften an dem gegenüberliegenden Boden anstoßen würden.
• Gegenstand der Erfindung ist eine Wasserturbine oder Pumpe mit feststehenden Leit- und Laufschaufeln, bei der die Änderung der Beaufschlagung durch Verkürzung, d. h.. teilweise Abdeckung der wasserführenden Länge der Lauf- und Leitschaufeln mittels einer kegeligen Leitfläche, eines Regulierkegels, erfolgt, der axial verschoben wird, wobei seine äußere wasserberührte Oberfläche in jeder Stellung der allgemeinen Strömungsrichtung angepaßt ist, und der Schlitze für die durchgleitenden Laufschaufeln enthält.
• Zur Vermeidung der vorgenannten Nachteile wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, bei einem im wesentlichen axial durchströmten Laufrad mit Schaufein, deren Steigung mit wachsendem Radius abnimmt, einen Regulierkegel zu verwenden, dessen Schlitze eine dem jeweiligen Steigungswinkel des durchtretenden Laufschaufelstückes entsprechende Steigung aufweisen, wobei der Regulierkegel sowohl axial verschiebbar als auch um die Drehachse des Laufrades drehbar angeordnet ist. Das äußere Längsschnittprofil des Regulierkegels ist dabei so gestaltet, daß sich bei seiner Verstellung die freien Längen der Ein- und Austrittskanten der Laufschaufeln im gleichen Verhältnis ändern. Hierdurch wird erreicht; daß die theoretisch richtige Anströmung der Laufschaufeln, deren Ein- und Austrittswinkel für Vollast auf den besten Wirkungsgrad eingestellt sind, auch bei Teillast erhalten bleibt und somit mit gleichmäßig guten Wirkungsgraden auch bei Teilbeaufschlagung zu rechnen ist.
• Die nachstehende Beschreibung ist für eine Wasserturbine zugeschnitten. Gemäß Abb.l ist die hohlgebohrte, vertikale Welle 1 in den Führungslagern 2 und 3 sowie im Spurlager 4 gelagert und trägt unten die zylindrische Laufradnabe 5 mit den feststehenden propellerartigen Laufschaufeln 6, die in der Lauf radkammer 7 umlaufen. Die Leitschaufeln 12 sind ebenfalls feststehend. Man stelle sich nun vor, der durchflossene Ringraum zwischen der Laufradnabe 5 und der Wand der Laufradkammer 7 sei beispielsweise in vier mengenmäßig gleiche Teile unterteilt, deren Begrenzung die Flutflächen a-a bis e-e dar- stellen. Nach den bekannten Gesetzen gilt nun für jede Flutfläche ein Geschwindigkeitsdreieck gemäß Abb. 3, das der Turbinen-Hauptgleichung entsprechen muß und worin B1 und B2 die Ein- und Austrittswinke der Laufschaufel darstellen. a1 ist der Austrittswinkel aus der Leitschaufel und a2 der Abströmungswinkel vom Laufrad in das Saugrohr.
• Senkt man nun mittels der Verstellstange 10 den Regulierkegel 8 aus der obersten Stellung entsprechend Flutfläche a-a schraubenförmig nach unten bis zur Berührung mit der Flutfläche b-b, wobei die Laufschaufeln 6 in den Schlitzen 11 entlang gleiten, dann wird der freie Durchflußquerschnitt um ein Viertel verkleinert und die Länge der Leit- und Laufschaufeln um ein äquivalentes Stück verkürzt. Die Schluckfähigkeit der Turbine und die Leistung gehen um ein Viertel zurück, da die Eintrittsgeschwindigkeit c1, für die das Gefälle ausschlaggebend ist, konstant bleibt (Abb.3). Die Richtung von c1 bleibt ebenfalls unverändert, da die Leitschaufeln 12 feststehen.
• Die, hydraulischen Verhältnisse in der neuen Stellung des Regulierkegels bleiben daher gleich günstig wie bei voller Beaufschlagung, da ja die Strömung in den durchflossenen Flutflächen zwischen b-b und e-e nicht gestört wird. Es ist gleichsam eine neue Turbine mit einer dickeren Nabe, aber auch mit den günstigsten Schaufelwinkeln entstanden.
• Bei weiterer Verschiebung des Regulierkegels 8 nach unten bis zur Flutfläche c-c, wobei sich- dessen äußeres Längsschnittprofil wieder mit großer Annäherung an diese anpaßt, erfolgt sinngemäß derselbe Vorgang wie beschrieben. Die Schluckfähigkeit und somit die Leistung der Turbine geht auf die Hälfte zurück. Auch, in dieser Stellung bleiben die günstigen Strömungsverhälnisse erhalten. Die Geschwindiigkeitsdreiecke in den Flutflächen c-c bis e-e bleiben für diese Teillast genauso bestehen, wie sie für die volle Beaufschlagung errechnet wurden, woraus auf einen gleichmäßig bleibenden hydraulischen Wirkungsgrad geschlossen werden kann.
• Selbst bei weiterer Verschiebung dies Regulierkegels bis zur kleinsten Beaufschlagung werden noch die günstigen Strömungsverhältnisse vorhanden sein. Wenn der Wirkungsgrad trotzdem beträchtlich zurückgehen wird, wie übrigens auch bei anderen Turbinen, dann ist dies auf die Wandreibung des Wassers zurückzuführen, die bei dem kleinen Durchflußquerschnitt einen unverhältnismäßig großen Einfluß gewinnt.
• Hat der Regulierkegel die Flutfläche e-e erreicht, dann ist der Durchfluß gesperrt.
• Bei Teidbeaufschlagung könnte es sich nachteilig bemerkbar machen, daß die Strömung im oberen Leit= Schaufelteil nicht durch eine feste Wand begrenzt ist. Diesem Umstande ist durch die Anordnung eines Kragens 13 Rechnung getragen, der in an sich bekannter Weise gleichzeitig mit dem Regulierkegel 8 axial verschoben wird und ausgesparte Schlitze für die Leitschaufeln 12 enthält.
• Ein Wasserdurchtritt durch die Schlitze 11 des Regulierkegels 8, der nach oben durch den Deckel 17 abgedeckt ist, nach der Saugseite des Laufrades hin kann mittels einer entsprechenden Abdichtung verrnieden werden. Diese besteht gemäß Abb. 1 und 2 aus der die zylindrische Nabe 5 eng umschließenden, konzentrischen Büchse 14, die schraubenförmige Schlitze für die durchtretenden Laufschaufeln 6 enthält, und aus den die Laufschaufeln eng umschließenden, schraubenförmig verwundenen Verbindungswänden 15 zwischen den Schlitzen in der Büchse 14 und den im Regulierkegel 8 vorgesehenen Schlitzen 11.
• Ist der Regulierkegel als @'ol11cörper ausgeführt, dann sind die Schlitze in diesem ausgespart.
• Zur besseren Führung des Regulierkegels ist noch das Lager 16 vorgesehen.
• Die axiale und schraubenförmige Verschiebung des Regulierkegels 8 über die Verstellstange 10 kann durch Mittel bekannter Art, wie hydraulische Kraftverstärker, bewerkstelligt werden.
• Nach der Ausführung gemäß Abb. 1 können aber auch die Drehzahlabweichungen zwischen der über Motor 22, Rutschkupplung 21 und Schneckentrieb 20 mit Turbinen-Nenndrehzahl angetriebenen Mutter 18 und der mit dem Laufrad umlaufenden, mit Gewinde versehenen Verstellstange 10 zur Verstellung des Regulierkegels und damit zur Geschwindigkeitsregelung verwendet werden.
• Die Verwendung solcher Regelvorrichtungen ist bereits bei Einrichtungen zum Angleichen der Drehzahlen von zwei Schiffsdieselmotoren bekanntgeworden. Hierbei dient der eine Motor als Schrittmacher, während bei einer Drehzahlabweichung des zweiten Motorseine Spindel verstellt wird, die auf das Brennstoffventil einwirkt, wodurch die Drehzahl des zweiten :Motors dem Schrittmacher angeglichen «erden soll.
• Die Anwendung dieses Regelprinzips bei Wasserturbinen mit Regulierkegel ist bisher noch nicht bekanntgeworden.
• Gemäß Abb. 1 hat das Gewinde der Verstellstange 10 eine solche Gangrichtung, daß bei Überschreitung der Normaldrehzahl der Turbine der Regulierkegel 8 nach unten auf »Schließen« und im entgegengesetzten Fall auf »Öffnen« gestellt wird.
• Da es bei der Konstruktion des Regulierkegels 8 fallweise schwierig sein könnte, die Neigung der Schlitze 11 mit den Laufschaufelwinkeln in Einklang zu bringen, können erfindungsgemäß die Leitschaufeln 12 mit einem verwundenen Profil ausgestattet sein. Hierdurch würde sich für die in Frage kommende Flutfläche die Eintrittsgeschwindigkeit cl in ihrer Richtung und demzufolge, gemäß Diagramm Abb. 3, auch der Anströmwinkel der Laufschaufeln entsprechend ändern.
• Die v orbeschriebene Anordnung kann auch bei Pumpen verwendet werden, wobei der Regulierkegel auch von der Spitze angeströmt werden kann.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Wasserturbine oder Pumpe mit feststehenden Leit- und Laufschaufeln und einer zum Zwecke der Durchflußregelung axial verschiebbaren kegeligen Leitfläche (Regulierkegel), deren äußere Form der allgemeinen Strömungsrichtung angepaßt ist und die Schlitze für die durchgleitenden Laufschaufeln und eine Abdichtung gegen Wasserdurchtritt von der Druck- nach der Saugseite des Laufrades aufweist, gekennzeichnet durch die Verwendung eines an sich bekannten, im wesentlichen axial durchströmten Laufrades (5, 6) mit Schaufeln (6), deren Steigung mit wachsendem Radius abnimmt, und eines Regulierkegels (8), dessen Schlitze (11) eine dem jeweiligen Steigungswinkel des durchgleitenden Laufschaufelstückes entsprechende Neigung aufweisen, wobei der Regulierkegel sowohl axial verschiebbar als auch um die Drehachse des. Laufrades drehbar angeordnet und sein äußeres Längsschnittprofil so gestaltet ist, daß sich bei einer Verstellung des Regulierkegels die freien Längen der Ein- und Austrittskanten der Laufschaufeln im gleichen Verhältnis ändern.
2. 2. Wasserturbine oder Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Regulierkegel in an sich bekannter Weise hohl und die Laufradnabe (5) zylindrisch ausgebildet sind und daß innerhalb des Regulierkegels eine auf der Laufradnabe gleitende, mit schraubenförmigen Schlitzen für die durchtretenden Laufschaufeln versehene zylindrische Büchse (14) vorgesehen ist, wobei zwischen der äußeren kegeligen und der inneren zylindrischen Begrenzung des Regulierkegels schraubenförmig verwundene, die Schlitze beiderseitig begrenzende Verbindungswände (15) angeordnet sind.
3. 3. Wasserturbine oder Pumpe nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Leitschaufelkranzes in an sich bekannter Weise eine mit Schlitzen für die Leitschaufeln (12) versehene, axial verschiebbare, ringförmige Leitfläche (13) vorgesehen ist und daß diese Leitfläche gemeinsam mit dem Regulierkegel in gleicher Richtung axial verschiebbar, aber nicht drehbar angeordnet ist.
4. 4. Wasserturbine oder Pumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regulierkegel mit einer Verstelleinrichtung verbunden ist, die in an sich bekannter Weise als eine in der hohlen Turbinenwelle (1) angeordnete Verstellstange (10) ausgebildet ist.
5. 5. Wasserturbine oder Pumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellstange in der Turbinenwelle axial verschiebbar und drehbargelagert istundeinSpindelgewindeaufweist, das mit einer auf der Turbinenwelle drehbar, aber axial unverschiebbar gelagerten Spindelmutter (18) im Eingriff steht und daß die Spindelmutter über ein Getriebe mit Nenndrehzahl der Turbine antreibb ar ist, wobei die Steigung des Spindelgewindes der Verstellstange so ausgebildet ist, daß bei Überdrehzahl des Turbinenlaufrades gegenüber der mit Nenndrehzahl angetriebenen Spindelmutter eine Schließbewegung des Regulierkegels und umgekehrt bewirkt wird.
6. 6. Wasserturbine oder Pumpe nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln (12) ein in Längsrichtung verwundenes Profil aufweisen. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 394 302, 430 360, 534 347; schweizerische Patentschriften Nr. 118 902, 175 431; österreichische Patentschrift Nr. 166 634; französische Patentschriften Nr. 587 131, 593 555.