DE10100983A1 - Laufrad für eine Wasserturbine oder Wasserpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Strömungsmaschine zur Anwendung bei Flüssigkeiten; DOLLAR A - mit einer Welle; DOLLAR A - mit einer Anzahl von Schaufeln, die von der Welle getragen sind; DOLLAR A - die Schaufeln weisen ein Schaufelblatt sowie einen Schaufelfuß auf. DOLLAR A Gemäß der Erfindung weist ein solches Laufrad die folgenden Merkmale auf: DOLLAR A - wenigstens einige der Schaufeln umfassen ein Hauptschaufelblatt und ein Sekundärschaufelblatt; DOLLAR A - das Blatt der Hauptschaufel und das Blatt der Sekundärschaufel sind wenigstens nahezu parallel sowie im gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Strömungsmaschinen zur Anwendung bei Flüssigkeiten. Sie betrifft insbesondere Kaplanturbinen.

Die Laufräder solcher Turbinen weisen eine Welle auf sowie eine Anzahl von Schaufeln, die von der Welle getragen sind. Bei den genannten Kaplanturbinen sind die Schaufeln um Drehachsen verdrehbar, die senkrecht zur Längsachse der Welle angeordnet sind. Den Schaufeln ist ein Verstellmechanismus zugeordnet, der ein Verschwenken der Schaufeln um die betreffende Drehachse erlaubt. Das Verstellen der Schaufeln dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu optimieren, und zwar über den gesamten Arbeitsbereich hinweg.

Ein gravierendes Problem von hydraulischen Maschinen jeglicher Art besteht in der Kavitation. Diese reduziert den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und den zulässigen Arbeitsbereich.

Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern.

Sämtliche bisher bekannten Maßnahmen haben nicht ausgereicht, den Wirkungsgrad im Arbeitsbereich einer hydraulischen Maschine mit gelenkter Strömung in wünschenswertem Maße zu steigern.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hydraulische Maschine anzugeben, mit welchen die Wirkungsgrade im Arbeitsbereich verbessert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß werden wenigstens einige der Schaufeln als Doppelschaufel ausgebildet, umfassend eine Hauptschaufel und eine Sekundärschaufel. Die beiden Schaufeln sind dabei im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so daß jeweils eine Großfläche einer jeden Schaufel einer Großfläche der anderen Schaufel gegenüberliegt. Gewisse Abweichungen von der Parallelität sind jedoch denkbar.

Der Erfinder hat folgendes erkannt:
Der Eintrittsbereich einer Schaufel, d. h. der Bereich der Schaufel- Eintrittskante, unterliegt normalerweise einer hohen Belastung. An der Eintrittskante einer Schaufel entsteht Kavitation, und es treten Wirbel auf. Eine optimale Schaufelbelastung ist nicht möglich, und der Einsatzbereich der Strömungsmaschine ist eingeschränkt.

Wird gemäß der Erfindung eine Doppelschaufel verwendet, umfassend eine Hauptschaufel und eine Sekundärschaufel, so verringert sich die Belastung pro Einzelschaufel - d. h. die Belastung des Eintrittskantenbereiches der Hauptschaufel und des Eintrittskantenbereiches der Sekundärschaufel - gegenüber Schaufeln gemäß dem Stande der Technik. Die auf die Einzelschaufel einwirkende Belastung wird mehr oder minder gleichmäßig über das Schaufelblatt verteilt. Die Gefahr der Kavitation wird verringert, desgleichen die Gefahr des Entstehens von Wirbeln im Bereich der Eintrittskante einer jeden Einzelschaufel.

Durch die verbesserte Schaufelbelastung läßt sich das Optimum des Kennfeldes (spezifischer Durchfluß Q₁' über der spezifischen Drehzahl n₁') in den Betriebsbereich verlagern. Zusätzlich erweitert sich der zulässige Betriebsbereich, weil die Kavitation, wie erwähnt, verringert wird. Der Jahresenergiegewinn einer Anlage erhöht sich.

Zur Verwirklichung der Erfindung gibt es zahlreiche Möglichkeiten. So läßt sich die Sekundärschaufel auf der Druckseite oder auf der Saugseite der Hauptschaufel anordnen.

Die beiden Teilschaufeln - Hauptschaufel und Sekundärschaufel - lassen sich mittels Stegen aneinander befestigen. Die Stege werden zweckmäßigerweise an den betreffenden Flächen der Schaufeln angeschweißt. Die Stege verlaufen am besten in Strömungsrichtung. Eine Neigung gegen die Strömungsrichtung ist jedoch ebenfalls denkbar. Einzelne Schaufelbereiche können damit zusätzlich be- oder entlastet werden.

Zwischen den beiden Teilschaufeln herrscht in jedem Falle ein Abstand, so daß die beiden Teilschaufeln einen Zwischenraum zwischen sich bilden, der von Flüssigkeit durchströmt ist. Der Abstand wird im allgemeinen auf der gesamten Fläche des Zwischenraumes nahezu konstant sein. Im allgemeinen wird er größer als die Dicke einer Teilschaufel sein.

Beide Schaufeln, d. h. Hauptschaufel und Sekundärschaufel, können gleich groß sein. Sie können sogar in einer Projektion deckungsgleich sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.

Auch kann die Eintrittskante der Sekundärschaufel - in Drehrichtung gesehen - vor oder hinter der Eintrittskante der Hauptschaufel liegen.

Die Erfindung läßt sich bei jeglicher Art von Flüssigkeits-betriebenen Strömungsmaschinen einsetzen. Die Erfindung eignet sich zwar vor allem zum Einsatz bei Kaplanturbinen. Es kommen jedoch auch andere Turbinenarten in Betracht, wie beispielsweise Propellerturbinen, dies sind Turbinen, bei denen sich die Turbinenschaufeln nicht verstellen lassen.

Außerdem läßt sich die Erfindung bei Francis-Turbinen und Pumpturbinen anwenden sowie bei Wasserpumpen allgemein.

Schließlich ist es denkbar, die beiden Teilschaufeln einer erfindungsgemäßen Doppelschaufel derart zu gestalten, daß die beiden Schaufelblätter einer Doppelschaufel relativ zueinander verschoben werden können, vorzugsweise in eingebautem Zustand. Die Verschiebung kann derart erfolgen, daß der Abstand zwischen den beiden Teilschaufeln verändert wird, oder daß die Verschiebung parallel zu den Großflächen der Teilschaufeln erfolgt, so daß beispielsweise die Lagen der Eintrittskanten relativ zueinander verändert werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.

Fig. 2 zeigt die beiden Schaufelblätter von Hauptschaufel und von Sekundärschaufel, in Draufsicht gesehen.

Fig. 3 zeigt die beiden Schaufelblätter gemäß Fig. 2 in einer Ansicht auf deren Stirnseiten, somit auf deren Außenkanten.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Maschine handelt es sich um eine Kaplanturbine. Man erkennt einen Rotor mit einer Welle 1 sowie eine Anzahl von Schaufeln 2. Die Schaufeln 2 sind auf der Welle 1 drehbar gelagert. Die Achse 1.1 der Welle 1 verläuft vertikal. Die Schwenkachsen der Schaufeln 2 verlaufen senkrecht hierzu, somit horizontal.

Man erkennt ferner einen Strömungskanal 3, durch den Wasser in den Bereich der Schaufeln 2 gelangt.

Jede Schaufel 2 weist zwei Schaufelblätter auf, nämlich ein Hauptschaufelblatt und ein Sekundärschaufelblatt. Aus Gründen der zeichnerischen Klarheit ist dies jedoch hier nicht im einzelnen dargestellt.

Die in Fig. 2 dargestellte Hauptschaufel 2.2 weist eine Eintrittskante 2.2.1 und eine Austrittskante 2.2.2 auf. Die Sekundärschaufel 2.3 weist eine Eintrittskante 2.3.1 und eine Austrittskante 2.3.2 auf. Die Sekundärschaufel ist mittels eines oder mehrerer Stege 2.4 an der Hauptschaufel befestigt. Die Schaufeln werden über den Schwenkzapfen beziehungsweise den Schaufelfuß 2.5 verstellt.

Aus Fig. 3 ist die Zuordnung von Hauptschaufel 2.2 und Sekundärschaufel 2.3 erkennbar. Wie man sieht, ist die Eintrittskante 2.3.1 der Sekundärschaufel 2.3 gegenüber der Eintrittskante 2.2.1 der Hauptschaufel 2.2 versetzt. In Laufrad-Drehrichtung gesehen liegt die Eintrittskante der Sekundärschaufel 2.3 hinter der Eintrittskante der Hauptschaufel 2.2.

Der gegenseitige Abstand zwischen den beiden Schaufeln beträgt etwa das 5-fache der Dicke einer der beiden Schaufeln. Im vorliegenden Falle sind beide Teilschaufeln - Hauptschaufel und Sekundärschaufel 2.3 - annähernd gleich dick. Dies könnte jedoch auch anders sein.

Claims (14)

1. Laufrad für eine Strömungsmaschine zur Anwendung bei Flüssigkeiten;

• 1. 1.1 mit einer Welle (1);
• 2. 1.2 mit einer Anzahl von Schaufeln (2), die von der Welle (1) getragen sind;
• 3. 1.3 die Schaufeln (2) weisen ein Schaufelblatt sowie einen Schaufelfuß auf;
• 4. 1.4 wenigstens einige der Schaufeln (2) umfassen ein Hauptschaufelblatt (2.2) und ein Sekundärschaufelblatt (2.3);
• 5. 1.5 das Blatt der Hauptschaufel (2.2) und das Blatt der Sekundärschaufel (2.3) sind wenigstens nahezu parallel sowie im gegenseitigen Abstand zueinander angeordnet.

2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelblätter von Hauptschaufel (2.2) und Sekundärschaufel (2.3) fest miteinander verbunden sind.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt einer Hauptschaufel (2.2) und einer diesen zugeordneten Sekundärschaufel (2.3) einen einzigen, gemeinsamen Schaufelfuß (2.5) aufweisen.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige Abstand zwischen den beiden Schaufelblättern von Hauptschaufel (2.2) und Sekundärschaufel (2.3) ein Mehrfaches der Dicke der Hauptschaufel (2.2) im radial äußeren Bereich beträgt.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschaufel (2.3) auf der Druckseite der Hauptschaufel (2.2) angeordnet ist.

6. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärschaufel (2.3) auf der Saugseite der Hauptschaufel (2.2) angeordnet ist.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter von Hauptschaufel (2.2) und Sekundärschaufel (2.3) im wesentlichen deckungsgleich sind.

8. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter von Hauptschaufel (2.2) und Sekundärschaufel (2.3) unterschiedlich groß sind.

9. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittskante (2.3.1) der Sekundärschaufel (2.3) - in Strömungsrichtung gesehen - hinter der Eintrittskante (2.2.1) der Hauptschaufel (2.2) liegt.

10. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Eintrittskante (2.3.1) der Sekundärschaufel (2.3) - in Strömungsrichtung gesehen - vor der Eintrittskante (2.2.1) der Hauptschaufel (2.2) liegt.

11. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blätter von Hauptschaufel (2.2) und Sekundärschaufel (2.3) durch einen oder mehrere Stege (2.4) miteinander verbunden sind, die im Zwischenraum zwischen Hauptschaufel (2.2) und Sekundärschaufel (2.3) angeordnet sind.

12. Laufrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege (2.4) profiliert, gekrümmt und unter einem spitzen Winkel gegen die Strömungsrichtung geneigt sind.

13. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Blatt der Sekundärschaufel (2.3) - in Draufsicht gesehen - wesentlich kleiner als das Blatt der Hauptschaufel (2.2) ist und in einem Bereich angeordnet ist, der durch die Eintrittskante (2.2.1) und die radial äußere Kante des Blattes der Hauptschaufel (2.2) begrenzt ist.

14. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Anwendung bei einer Kaplanturbine.