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Die Erfindung betrifft eine Peltonturbine mit einem um eine Achse drehbar gelagerten Laufrad mit einer Mehrzahl von an seinem Umfang angeordneten Peltonbechern, zwei oder mehreren, zumindest eine Mündung aufweisenden Düsenkörpern zum Ausbringen eines Fluidstrahls auf die Peltonbecher und einer Spritzwasserschutzeinrichtung, umfassend zumindest eine sich über wenigstens einen Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad im Abstand zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand, die zumindest einen Wandbereich aufweist, dessen Verlauf im Axialschnitt betrachtet durch eine Richtungskomponente in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Laufrades von dieser weggerichtet beschreibbar ist, wobei die Leitwand Öffnungen zum Aufnehmen der Düsenkörper aufweist. Diesbezüglich wird auf
WO 2006/066691 A1 und
DE 883 426 verwiesen.
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Beim Auftreffen der über die Düsenkörper ausgebrachten Wasserstrahlen an den Peltonbechern werden diese um fast 180° umgelenkt, wodurch die kinetische Energie am Laufradumfang hauptsächlich in mechanische Energie zum Antrieb des Laufrades umgesetzt wird. Im umgelenkten Strahl verbleibt noch eine Restenergie von bis zu 5%. Durch diese wird der umgelenkte Strahl als Spritzwasser in die seitlich des Laufrades angeordneten Bereiche gelenkt, wobei dieses an den das Laufrad umschließenden Gehäusewänden sowie der freien Oberfläche eines unterhalb der Turbine angeordneten Unterwasserkanals abprallt. Zur besseren Ableitung des Spritzwassers sind im Stand der Technik Leitwände vorgesehen. Die dadurch erzielte verbesserte Spritzwasserabfuhr ermöglicht es, eine größere Anzahl von Düsen vorzusehen, um die Energiedichte der Anlage zu erhöhen.
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Bei Ausführungen gemäß der
WO 2006/066691 A1 ist die Leitwand mit Durchgangsöffnungen versehen, in die die auszubringenden Wasserstrahlen eingedüst und hindurchgeführt werden. Die dafür vorgesehenen Öffnungen sind derart dimensioniert, dass ein Kontakt der Wasserstrahlen mit der Wandung der Öffnung zur Vermeidung von Reibungsverlusten vermieden wird. Die Öffnungen sind dazu durch große Querschnittsabmessungen charakterisiert. Allerdings kann aufgrund der großen Querschnittsabmessungen Spritzwasser leicht in diese eindringen, wodurch der auszubringende Fluidstrahl erheblich gestört wird, was sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Peltonturbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass deren Wirkungsgrad weiter erhöht wird und Störungen durch Spritzwasser weitestgehend ausgeschlossen werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Eine Peltonturbine mit einem um eine Achse drehbar gelagerten Laufrad mit einer Mehrzahl von an seinem Umfang angeordneten Peltonbechern, zwei oder mehreren, zumindest eine Mündung aufweisenden Düsenkörpern zum Ausbringen eines Fluidstrahls auf die Peltonbecher und einer Spritzwasserschutzeinrichtung, umfassend zumindest eine sich über wenigstens einen Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad im Abstand zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand, die zumindest einen Wandbereich aufweist, dessen Verlauf im Axialschnitt betrachtet durch eine Richtungskomponente in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Laufrades von dieser weggerichtet beschreibbar ist, wobei die Leitwand Öffnungen zum Aufnehmen der Düsenkörper aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düsenkörper sich mit seiner Mündung zumindest bis zum Laufrad weisenden Innenumfang der Leitwand erstreckt und der Abstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser des Laufrades und dem Innenumfang der Leitwand in radialer Richtung 50% bis 300% der Becherbreite eines einzelnen Peltonbechers entspricht.
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Das Laufrad ist drehbar um eine Achse gelagert. Der Begriff Achse ist als geometrische Achse zu verstehen. Die auf das Laufrad bezogenen Richtungsangaben beziehen sich dabei auf diese Achse. Die konstruktive Ausführung kann vielfältig erfolgen, denkbar sind beispielsweise, jedoch nicht abschließend, Ausführungen mit drehbarer Lagerung auf einer Achse (als Bauteil), Festanordnung auf einer Achse oder Achszapfen und Antrieb dieser.
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Der Axialschnitt entspricht einem Schnitt in einer Ebene, welche durch die Achse und einer Senkrechten zu dieser charakterisiert ist.
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Unter axialer Erstreckung des Laufrades wird die Erstreckung des Laufrades in Verlaufsrichtung der Drehachse betrachtet verstanden. Dies entspricht der Erstreckung quer zur Umlaufrichtung des Laufrades um die Achse, insbesondere Drehachse.
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Der äußere hydraulische Durchmesser entspricht dem durch die maximale Erstreckung des Laufrades gelegten Durchmesser. Dieser beschreibt den von der Achse in radialer Richtung am weitesten entfernten Bereich des Laufrades beziehungsweise der an diesem angeordneten Peltonbecher.
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Die Becherbreite beschreibt die größte axiale Erstreckung der Becherinnenseite parallel zur Drehachse.
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Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht zum einen, das freie Austreten des Fluid-, insbesondere Wasserstrahls als Freistrahl aus der Mündung des Düsenkörpers in Richtung der Peltonbecher und verhindert gleichzeitig eine Störung des Freistrahls durch das nach Aufprallen des Fluid-, insbesondere Wasserstrahls auf die Peltonbecher zurückspritzenden Wassers und ein Eintreten in die, die Düsenkörper aufnehmenden Öffnungen. Dadurch wird der Wirkungsgrad gegenüber bekannten Ausführungsformen verbessert, die Berührung des austretenden Fluid-, insbesondere Wasserstrahls mit der Laibung der Öffnung wird vermieden.
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In einer vorteilhaften Ausbildung beträgt der Abstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser des Laufrades und dem Innenumfang der Leitwand 50% bis 250% der Becherbreite eines einzelnen Peltonbechers, vorzugsweise 50% bis 200%, besonders bevorzugt 75% bis 150% der Becherbreite, ganz besonders bevorzugt 90 %–110% der Becherbreite. Der geringe Abstand führt zu einem besseren Schutz vor zurückspritzenden Wasser und erhöht dadurch die Betriebssicherheit. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der damit erzielbaren kompakteren und kostengünstigeren Gesamtbauweise.
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Die Ausbildung der Leitwand kann einteilig oder mehrteilig erfolgen. Dabei sind hinsichtlich der Erstreckung dieser in Umfangsrichtung des Laufrades und in axialer Richtung unterschiedliche Ausbildungen denkbar. Die einzelnen Möglichkeiten in Umfangsrichtung und axialer Richtung können dabei miteinander kombiniert werden.
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In Umfangsrichtung betrachtet gelangen grundsätzlich zwei Grundformen zum Einsatz. Gemäß einer ersten Ausführung ist diese in Umfangsrichtung als geschlossene ringförmige Baueinheit ausgeführt. Die Ausbildung erlaubt eine fest definierte Zuordnung der Leitwand gegenüber dem Laufrad unter Einhaltung eines konstanten Abstandes sowie eine einfache Montage. In einer zweiten Ausführung erstreckt sich die einzelne Leitwand in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich von 60° bis 255°, vorzugsweise 72° bis 180°, besonders bevorzugt 90° bis 135° um das Laufrad. Um einen konstanten Abstand in diesem Bereich zum Laufrad einhalten zu können, ist die Leitwand als Ringsegment ausgeführt. Die gewählte Erstreckung in Umfangsrichtung erhöht je nach Ausführung der Turbine die Zugänglichkeit zum Laufrad und damit die Wartungsfreundlichkeit während das wesentliche Spritzwasser weiterhin zurückgehalten wird.
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Denkbar sind Ausführungen mit nur einer Leitwand oder zumindest zwei oder mehreren in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Leitwänden. Im letztgenannten Fall können standardisierte Leitwandeinheiten zum Einsatz gelangen, die je nach Einsatzerfordernis variabel anordenbar sind.
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In axialer Richtung besteht die Möglichkeit
- a) der Erstreckung der Leitwand nur über ein Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades und in besonders vorteilhafter Weise
- b) der Erstreckung wenigstens über die axiale Erstreckung des Laufrades, vorzugsweise darüber hinaus.
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Erstgenannte Möglichkeit gelangt beispielsweise bei nur einseitiger Anordnung einer Leitwand bezogen auf die Symmetrieebene des Laufrades zur Anwendung.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Ausführung gemäß der Möglichkeit a) oder b) ist die einzelne Leitwand in axialer Richtung symmetrisch ausgebildet. Die symmetrische Ausführung bietet den Vorteil gleicher Randbedingungen in der Umgebung des Laufrades.
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Des Weiteren kann gemäß einer zur vorgenannten Weiterbildung alternativen Ausführung die einzelne Leitwand gemäß der Möglichkeit a) oder b) mit in axialer Richtung asymmetrischer Ausbildung ausgeführt sein. Eine asymmetrische Ausführung der Leitwand kann dabei gegebenenfalls bei vertikalen Maschinen zum Einsatz gelangen.
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Um optimale Bedingungen für das Auftreffen der Wasserstrahlen auf die Peltonbecher zu gewährleisten ist die einzelne Leitwand koaxial zur Drehachse des Laufrades angeordnet.
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Die Erstreckung der Leitwand in axialer Richtung erfolgt vorzugsweise in einem Bereich von 5% bis 100% der Becherbreite über die axiale Erstreckung des Laufrades hinaus.
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Die Leitwand oder zumindest der im Axialschnitt betrachtet mit zumindest einer Richtungskomponente in radialer Richtung ausgerichtete Wandbereich sind zumindest teilweise oder vollständig vorzugsweise gemäß einer der nachfolgenden Möglichkeiten oder einer Kombination aus diesen ausgebildet:
- – konisch, d.h. in radialer Richtung geneigt unter Vergrößerung der Abmessung der Leitwand in axialer Richtung
- – kreis- oder ringsegmentförmig
- – gerundet
- – trompetenförmig, insbesondere trompetenförmig erweitert
- – kasten- oder topfförmig.
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Die genannten Möglichkeiten bieten den Vorteil, dass die Leitwand eine Art Hinterschneidung oder zumindest einseitig offenen Aufnahmeraum bilden kann, in welcher Spritzwasser in Richtung des Laufrades aufgefangen werden kann.
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Zum Ausbringen des Fluids, insbesondere Wassers in Richtung der Peltonbecher sind eine Mehrzahl von Düsenkörpern vorgesehen, die in Umfangsrichtung um das Laufrad beabstandet zueinander angeordnet sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die einzelnen Düsenkörper derart angeordnet, dass der Abstand der Mündung des einzelnen Düsenkörpers zum Innenumfang der Leitwand von 0% bis 100% der Becherbreite, vorzugsweise 5 % bis 80% der Becherbreite, besonders bevorzugt 20% bis 50% der Becherbreite beträgt und/oder die Mündung in einem Winkel von 15° bis 90° gegenüber dem Innenumfang der Leitwand ausgerichtet ist. Durch die Variation des Winkels wird eine Optimierung zwischen Ablaufgeschwindigkeit im einseitig offenen Aufnahmeraum und Gesamtbauraum geschaffen. Durch die Wahl des Abstandes wird die Schutzwirkung verbessert, wobei insbesondere ein guter Schutz bei einem vorzugsweisen Abstand erhalten wird. So besteht die Möglichkeit bei entsprechender Wahl des Abstandes Strahlablenker einzubauen.
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In einer weiteren Ausbildung ist radial innerhalb eines die Anordnung der Peltonbecher beschreibenden Durchmessers zusätzlich eine weitere Leitwand angeordnet. Durch diese Anordnung wird ein noch besserer Schutz des Laufrades erzielt.
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Hinsichtlich der Ausrichtung des Laufrades bestehen grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten Variante ist die Drehachse des Laufrades horizontal oder gegen eine Horizontalebene geneigt angeordnet. In einer weiteren zweiten Variante ist die Drehachse des Laufrades vertikal angeordnet. Vertikale Anordnungen sind insbesondere bei großen Einheitsleistungen vorteilhaft. Hier wird ein zusätzlicher Spritzwasserschutz erreicht.
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
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1a verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellungen eine erfindungsgemäß ausgeführte Turbine in einem Axialschnitt;
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1b verdeutlicht eine Ausführung der Turbine gemäß 1a in einem achssenkrechten Schnitt;
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2a und 2b zeigen mögliche Ausführungen des Verlaufs einer Leitwand in Umfangsrichtung um das Laufrad betrachtet;
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3a bis 3c verdeutlichen mögliche Ausführungen der Querschnittsgeometrie der Leitwand in einem Axialschnitt betrachtet.
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1a zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäß ausgeführten Peltonturbine 1 in einem Axialschnitt. Die 1b zeigt einen achssenkrechten Schnitt. Die Peltonturbine 1 umfasst ein in einem Gehäuse 4 angeordnetes und drehbar um eine Achse A gelagertes Laufrad 2 mit einer Mehrzahl von Peltonbechern 3.1 bis 3.n, die am Umfang des Laufrades 2 angeordnet sind. Die Drehachse A ist im dargestellten Fall horizontal ausgerichtet. Der maximale radiale Durchmesser des Laufrades 2, welcher die maximale radiale Erstreckung der Peltonbecher 3.1 bis 3.n charakterisiert, beschreibt den äußeren hydraulischen Durchmesser DA. Das Laufrad 2 ist in axialer Richtung bezüglich einer Ebene E, die durch zwei zueinander senkrecht ausgerichtete Senkrechte zur Achse A aufspannbar ist, symmetrisch ausgebildet.
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Zum Aufbringen eines Fluid-, insbesondere Wasserstrahls auf die einzelnen Peltonbecher 3.1 bis 3.n sind zwei oder mehrere Düsenkörper 5.1 bis 5.n vorgesehen. Beispielhaft sind in 1b drei derartige Düsenkörper 5.1 bis 5.3 vorgesehen, die in Umfangsrichtung des Laufrades 2 beabstandet zueinander, vorzugsweise, hier jedoch nicht dargestellt, gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind. Diese sind außerhalb des maximalen radialen Durchmessers DA des Laufrades 2 angeordnet und derart ausgerichtet, dass diese geeignet sind, einen Fluid, -insbesondere Wasserstrahl gegen die Peltonbecher 3.1 bis 3.n zu richten, d.h. mit einer Richtungskomponente in tangentialer Richtung oder geneigt zu dieser. Das in den Peltonbechern 3.1 bis 3.n umgelenkte Spritzwasser wird gegen die Innenwände des Gehäuses 4 geschleudert und gelangt aus diesem in einen Unterwasserkanal 6, in welchem das dort befindliche Wasser durch einen Spiegel 6.1 beschreibbar ist. Der so genannte Freihang 7 beschreibt einen Abstand y zwischen der als Drehachse fungierenden Achse A des Laufrades 2 und dem Spiegel 6.1 des Unterwasserkanals 6. Um einen negativen Einfluss von Spritzwasser auf die über die einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n gegen die Peltonbecher 3.1 bis 3.n ausgebrachten Fluid-, insbesondere Wasserstrahlen zu verhindern, ist eine Spritzwasserschutzeinrichtung 8 vorgesehen, umfassend zumindest eine, sich über wenigstens einen Teilbereich der maximalen axialen Erstreckung l des Laufrads 2 und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad 2 beanstandet zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand 9. Diese weißt im Querschnitt betrachtet zumindest einen Wandbereich 10 auf, dessen Verlauf durch eine Richtungskomponente charakterisiert ist, die vom Laufrad 2 weggerichtet ist. Die Leitwand 9 ist dadurch in Einbaulage betrachtet durch eine minimale radial innere Abmessung di-min und eine maximale radial äußere Abmessung da-max bezogen auf die Achse A charakterisiert. Die Leitwand 9 bei der Ausführung gemäß 1a verläuft ringförmig in Umfangsrichtung des Laufrades 2 in einem Abstand a um dieses. Die Leitwand 9 ist in Umfangsrichtung geschlossen ausgeführt und symmetrisch bezogen auf eine Ebene E, gebildet aus zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Senkrechten zur Drehachse A, ausgeführt. Dabei bildet diese mit dem Gehäuse 4 und den übrigen Komponenten Spritzwasser-Abfuhrkanäle 12.1 und 12.2, welche jeweils beidseitig dieser Symmetrieebene E und in Umfangsrichtung um die als Drehachse fungierende Achse A verlaufend angeordnet sind.
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Die Leitwand 9 weist Öffnungen 11.1 bis 11.n zur Aufnahme der Düsenkörper 5.1 bis 5.n auf. Jeder der einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n erstreckt sich dabei mit seiner Mündung 13.1 bis 13.n in Radialrichtung zum Laufrad 2 gerichtet zumindest bis zum Innenumfang 14 der Leitwand 2, vorzugsweise darüber hinaus. Dabei kann die einzelne Mündung 13.1 bis 13.n mit dem Innenumfang 14 der Leitwand 2 fluchten, d.h. bündig angeordnet werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung erstreckt sich diese über die Leitwand 9 in Richtung zum Laufrad 2 hinaus. Dadurch tritt der aus der Mündung 13.1 bis 13.n der einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n austretende Fluid-, insbesondere Wasserstrahl als Freistrahl F in den durch die beanstandete Anordnung von Leitwand 9 und Laufrad 2 gebildeten Zwischenraum 15 aus.
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Erfindungsgemäß ist der Abstand a zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser DA des Laufrades 2 und dem Innenumfang 14, insbesondere der Minimalabstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser DA des Laufrades 2 und dem Bereich des Innenumfanges 14 mit minimalsten Abstand dimin derart gewählt, dass dieser im Bereich zwischen einschließlich 50 % des 300 % der Becherbreite b, insbesondere 50 % bis 250 %, gegebenenfalls 50 % bis 200 %, vorzugsweise 75% bis 150 % der Becherbreite b, besonders bevorzugt 90 % bis 110 % der Becherbreite b beträgt. Dieser Abstand ermöglicht in vorteilhafter Weise den freien Austritt des Freistrahls F in den Zwischenraum 14 frei von einer Beeinträchtigung durch Spritzwasser. Ferner ist die Anordnung von hier nicht dargestellten Ablenkeinrichtungen möglich. Diese ermöglichen eine zielgerichtete Führung des einzelnen Fluidstrahls F frei von einer Beeinträchtigung der aus den anderen Düsenkörpern 5.1 bis 5.n austretenden Fluidstrahlen.
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Die einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n können dabei frei von einer mechanischen Kopplung durch die Leitwand 9 geführt werden oder aber in dieser gelagert oder mit der jeweiligen Leitwand 9 fest verbunden sein. Entscheidend ist, dass der Freistrahl F am Innenumfang 14 oder aber außerhalb dessen aus der Mündung 13.1 bis 13.n des jeweiligen Düsenkörpers 5.1 bis 5.n austritt. Ferner denkbar ist die freie Montage der Düsenkörper 5.1 bis 5.n und deren Integration in das Gehäuse 4.
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Die 1b verdeutlicht eine Ausführung der Leitwand 9 in Umfangsrichtung um die Achse A als ringförmige geschlossene Einheit. Diese ist koaxial zur Achse A angeordnet. Demgegenüber zeigen die 2a und 2b stark schematisiert mögliche weitere Ausführungen der Leitwand 9 in Umfangsrichtung des Laufrades 2 betrachtet. Dargestellt ist in schematisiert vereinfachter Darstellung lediglich der äußere hydraulische Durchmesser DA sowie die Leitwand 9 im Axialschnitt. Erkennbar ist eine dem Laufrad 2, verdeutlicht durch den äußeren hydraulischen Durchmesser DA, beabstandet zugeordnete und sich über einen Teilbereich in Umfangsrichtung um diese erstreckende Leitwand 9. Im dargestellten Fall ist die Leitwand 9 als Ringssegment ausgeführt. Dieses erstreckt sich über einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad 2, vorzugsweise in einem Winkel α im Bereich von 60° bis 255°, vorzugsweise 72° bis 180°, besonders bevorzugt 90° bis 135° um das Laufrad 2.
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Demgegenüber verdeutlicht die 2b eine Ausführung mit mehreren in Umfangsrichtung des Laufrades 2 um dieses angeordneten Leitwänden 9.a bis 9.c. Diese bilden jeweils Ringsegmente, die in ihrer Gesamtheit eine Funktionseinheit bilden können.
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Die 3a bis 3d verdeutlichen beispielhaft mögliche Ausbildungen der Querschnittsgeometrie im Abstand a zum Laufrad 2 angeordneten Leitwand 9 im Axialschnitt betrachtet. 3a zeigt eine Ausführung mit konischem Verlauf, d.h. der Wandbereich 10 erstreckt sich in radialer Richtung in axialer Richtung nach außen.
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3b zeigt eine Ausführung mit einer ringsegmentförmigen, insbesondere halbkreisförmigen Querschnittsgeometrie. 3c zeigt eine Kastenform und 3d eine kombinierte Form mit konischem Wandbereich 10.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Peltonturbine
- 2
- Laufrad
- 3.1–3.n
- Peltonbecher
- 4
- Gehäuse
- 5.1–5.n
- Düsenkörper
- 6
- Unterwasserkanal
- 6.1
- Spiegel
- 7
- Freihang
- 8
- Spritzwasserschutzeinrichtung
- 9, 9.a, 9.b, 9.c
- Leitwand
- 10
- Wandbereich
- 11.1–11.n
- Öffnungen
- 12.1, 12.2
- Spritzwasser-Abfuhrkanal
- 13.1–13.n
- Mündung
- 14
- Innenumfang
- 15
- Zwischenraum
- a
- Abstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser DA des Laufrades 2 und dem Innenumfang 14
- A
- Achse, Drehachse
- b
- Becherbreite
- DA
- äußerer hydraulischer Durchmesser
- di-min
- minimale radiale Abmessung bezogen auf Achse A
- da-max
- maximalste radiale Abmessung bezogen auf Achse A
- F
- Freistrahl
- l
- axiale Erstreckung
- y
- Abstand
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/066691 A1 [0001, 0003]
- DE 883426 [0001]
