DE102012018066A1

DE102012018066A1 - Wasserturbine

Info

Publication number: DE102012018066A1
Application number: DE102012018066.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan Kaußler; Dr. Kächele Thomas; Mauricio Kondo
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-13
Also published as: WO2014040765A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile: – eine Welle mit vertikaler Drehachse; – von der Welle getragene Schaufeln; – ein Spiralgehäuse, das die Welle umschließt; – einen Zulaufkanal, der zwischen Spiralgehäuse und den Schaufeln angeordnet ist und einen Krümmer umfasst; – einen Deckel, der den Raum zwischen dem Spiralgehäuse und der Welle absperrt; – eine Mehrzahl von Leitschaufeln, die innerhalb des Krümmers angeordnet und mit ihren Längsachsen gegen die Drehachse der Welle geneigt sind. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: – der Deckel weist Lagerbohrungen zum Aufnehmen der oberen Enden der Leitschaufeln auf; – der Deckel sowie die Lagerung der Leitschaufeln weisen eine Steifigkeit auf, die es ihm ermöglicht, die Leitschaufeln frei auskragend zu tragen; – der dem Deckel gegenüberliegende Wandungsteil des Zulaufkanals weist Bohrungen zum Hindurchführen von Lagerzapfen für die Leitschaufeln auf.

Description

Die Erfindung betrifft Wasserturbinen, insbesondere axiale Wasserturbinen, z. B. Kaplanturbinen. Siehe beispielsweise DE 101 00 963 A1 .
Eine solche Turbine weist als wesentliche Teile ein Laufrad, eine Anzahl von Leitschaufeln sowie ein Gehäuse auf. Das Laufrad umfasst eine Welle sowie eine Anzahl von Laufschaufeln, die von der Welle getragen sind und mit dieser umlaufen. Die Laufschaufeln sind im Allgemeinen um Drehachsen verstellbar, die senkrecht zur Längsachse der Welle verlaufen.
Das Verstellen der Laufschaufeln dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu optimieren, und zwar über den gesamten Arbeitsbereich hinweg. Außerdem wird bei entsprechendem Verstellen die Kavitation verringert oder vermieden.
Es gibt aber auch Wasserturbinen, ähnlich wie die oben aufgebauten, jedoch mit feststehenden Laufschaufeln.
Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine der genannten Bauart mit vertikaler Drehachse, ferner mit einem Zulaufkanal, der zwischen dem Spiralgehäuse und den Laufschaufeln angeordnet ist, und der einen Krümmer umfasst. Die Strömung wird somit zwischen Spiralgehäuse und den Laufschaufeln umgelenkt, beispielsweise um 90 Grad aus der Horizontalen in die Vertikale. Dabei sind die genannten Leitschaufeln an irgendeiner Stelle des Krümmers angeordnet, sodass sie gegen die Drehachse geneigt sind, beispielsweise unter einem Winkel von 10, 20, 30, 45 Grad und so weiter. Das obere – einlaufseitige – Ende der einzelnen Leitschaufel mit den Hebeln der Leitschaufelverstelleinrichtung befindet sich somit näher an der Drehachse als das untere, stromabwärtige Ende.
Bei einer solchen Turbine gestaltet sich die Montage der Leitschaufeln aufwendig und schwierig. Dabei wird das obere Ende einer jeden Leitschaufel am Turbinendeckel befestigt und mit den Leitschaufelhebeln an Regelring montiert. Der Deckel ist jenes Bauteil, das sich zwischen dem Austritt des Spiralgehäuses/Traversenrings und der Welle erstreckt. Der Deckel bildet im Allgemeinen den oberen Teil des Zulaufkanals, und damit auch des genannten Krümmers. Im Bereich der Leitschaufeln sind der obere und der untere Teil des Zulaufkanals gerundet, beispielsweise kugelförmig ausgebildet.
Die einzelne Leitschaufel wird bei der Montage im Allgemeinen von unten her in den Krümmer eingeführt, zum Beispiel sodann durch den Deckel gesteckt und lose fixiert angehängt. Die Schwierigkeit besteht darin, die Leitschaufel in der richtigen Neigung zu positionieren, somit unter dem oben genannten Neigungswinkel zur Drehachse. Zu diesem Zwecke wird das untere Ende der Leitschaufel entsprechend ausgelenkt, das heißt von der Drehachse entfernt. Ist die richtige Winkelposition erreicht, so werden das untere und das obere Ende an den Wandungsteilen des Krümmers fixiert, und zwar in Lagern, die ein Verdrehen der Leitschaufel um ihre eigene Längsachse erlauben, sodass die Leitschaufel ihre Funktion des Richtens oder Leitens der Strömung erfüllen können. Durch die gerundete, zum Beispiel kugelförmige Geometrie des Zulaufkanals im Bereich der Leitschaufeln kann die Positionierung der Leitschaufeln nur in einem segmentierten oder aus mehreren Formteilen bestehenden unteren Teil des Zulaufkanals durchgeführt werden.
Dieses schwierige und personalaufwendige Manöver erfordert Geschicklichkeit und Zeitaufwand. Der mehrteilig ausgeführte untere Zulaufkanal ist sehr teuer.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wasserturbine gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 derart zu gestalten, dass die gewünschte Winkelposition der Leitschaufeln relativ zur Drehachse zuverlässig, schnell und bei wesentlich verringertem Montageaufwand und Materialaufwand herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Anspruch 2 gibt ein entsprechendes Montageverfahren an.
Die Erfindung erlaubt eine separate Vormontage von Deckel und Leitschaufeln, somit außerhalb der Turbine. Aufgrund der Gestaltung des Deckels und der ihm zugeordneten Lager lassen sich die Leitschaufeln zuverlässig am Deckel montieren. Der Deckel und die zugeordneten Lager haben eine genügend große Festigkeit und Steifigkeit, dass die Leitschaufeln nach ihrer Montage am Deckel frei auskragen können, und dabei die gewünschte Winkelposition einnehmen.
Ferner weist der dem Deckel gegenüberliegende Wandungsteil des Zulaufkanals Bohrungen auf, durch die Lagerzapfen hindurchführbar sind. Die Bohrungen sitzen an vorbestimmten Stellen, und ihre Längsachsen fluchten im montierten Zustand mit den Längsachsen der Leitschaufeln. Die vormontierte Einheit, bestehend aus Deckel und Leitschaufeln, kann somit von oben auf die Welle aufgeschoben und abgesenkt werden, ohne dass es besonderer Justiermanöver bedarf. Die Leitschaufeln können an ihren unteren Enden Lagerzapfen aufweisen, die in Bohrungen im unteren Wandungsteil des Krümmers eingreifen, oder umgekehrt können die unteren Enden der Leitschaufeln Bohrungen aufweisen, in welche von unten her kommende Lagerzapfen eingreifen.
Der Vorteil einer erfindungsgemäßen Wasserturbine liegt in ganz erheblich verringerten Montagekosten, ferner in einer hohen Genauigkeit der Anordnung der Leitschaufeln. Siehe auch den Verfahrensanspruch.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Kaplanturbine mit verstellbaren Laufschaufeln sowie mit verstellbaren Leitschaufeln, im Aufriss und teilweise in einem Axialschnitt.
2 zeigt eine weitere Turbine in einer Darstellung ähnlich jener gemäß 1, woraus weitere Einzelheiten erkennbar sind.
3 zeigt eine erste Ausführungsform der Lagerung des unteren Endes einer Leitschaufel.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform der Lagerung des unteren Endes einer Leitschaufel.
Die in 1 gezeigte Kaplanturbine weist ein Laufrad 1 auf, das von einer Welle 2 getragen ist. Die Drehachse 2.1 der Welle 2 verläuft vertikal. Die Laufschaufeln 1.1 des Laufrades 1 sind verstellbar. Sie könnten aber auch feststehen.
Die Turbine ist von einer oberen und unteren Betonkonstruktion 3.1, 3.2 getragen. Zwischen diesen beiden befindet sich ein hier nicht dargestelltes Spiralgehäuse. Dieses ist horizontal liegend angeordnet. Es umschließt die Welle 2. Vom Spiralgehäuse 4 ist nur die ringförmige Auslaussöffnung 4.1 schematisch angedeutet.
Aus der Auslassöffnung 4.1 tritt eine Strömung in einen Zulaufkanal 5 ein. Dieser ist als Krümmer gestaltet. Er verbindet die Auslauföffnung 4 des Spiralgehäuses mit dem Bereich, in dem sich das Laufrad 1 befindet. Der Krümmer bewirkt eine Umlenkung der Strömung um 90 Grad.
Zulaufkanal 5 ist im Bereich des Laufrades 1 aus der unteren Betonkonstruktion 3.2 gebildet. In seinem oberen Bereich ist er gebildet aus einem Turbinendeckel 6, in welchem die Welle 2 gelagert ist.
Ganz entscheidend ist eine Mehrzahl von Leitschaufeln 7. Dabei kann es sich beispielsweise um 5, 10, 20 oder mehr Leitschaufeln handeln, je nach Größe der Turbine. Wie man sieht, sind die Leitschaufeln 7 gegen die Drehachse 2.1 geneigt angeordnet, im vorliegenden Falle etwa unter 45 Grad.
Die Leitschaufeln sind hier nur schematisch angedeutet. Das obere Ende einer jeden Leitschaufel 7 ist im Turbinendeckel 6 gelagert, und das untere Ende in dem dem Turbinendeckel 6 gegenüberliegenden Innenwandteil. Auf die Einzelheiten soll noch weiter unten eingegangen werden.
Bei der Ausführungsform gemäß 2 erkennt man einen Teil des Spiralgehäuses 4, ferner Traversen 4.2. Alle übrigen Bauteile aus 1 sind auch bei der Ausführungsform gemäß 2 vorhanden.
Die Unterschiede sind die folgenden:

– Die Laufschaufeln 1.1 stehen fest, das heißt sie sind nicht verstellbar.
– Der Zulaufkanal 5 ist von unten her zugänglich. Siehe den Arbeitsgang 8.
– Turbinendeckel 6 ist von besonders robustem Aufbau, hier als Hohlprofil mit Versteifungen 6.1.

Der Deckel 6 weist eine Bohrung auf, die mit einer Lagerbuchse 6.2 ausgekleidet ist. Lagerbuchse 6.2 nimmt einen Lagerzapfen 7.1 der Leitschaufel 7 auf. Sämtliche Leitschaufeln 7 sind im Turbinendeckel 6 außerhalb der Turbine vormontiert. Aufgrund der starren und hochfesten Konstruktion von Deckel 6, Lagerbuchse 6.2 und oberem Leitschaufelzapfen 7.1 bildet die gesamte Baueinheit aus Deckel und Leitschaufeln eine starre Einheit ohne nennenswerte Durchbiegung der freien unteren Enden der Leitschaufeln 7.
Zur Montage lässt sich die genannte Baueinheit von oben her der Welle 2 überstülpen, bis sie die in 2 gezeigte Position einnimmt. Das untere Ende einer jeden Leitschaufel trifft zielgenau auf eine bestimmte Stelle der Wandung des Zulaufkanals 5. An dieser Stelle sind Vorkehrungen für eine Lagerung des unteren Endes der Leitschaufel 7 getroffen, beispielsweise eine Bohrung.
Wie das untere Ende einer jeden Leitschaufel gelagert ist, ist aus den 3 und 4 zu sehen.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 weist das untere Ende der Leitschaufel 7 eine Gewindebohrung auf. Die dem Deckel 6 gegenüberliegende Wandung weist eine mit der Gewindebohrung fluchtende Bohrung auf. Die Längsachsen von Leitschaufel 7, die Gewindebohrung im Ende der Leitschaufel 7 sowie die Bohrung im Wandteil fluchten miteinander.
Es wird ein Gewindebolzen 9 durch die Bohrung im Wandteil hindurchgeführt und in die Gewindebohrung in der Leitschaufel 7 eingeschraubt. Der Kopf 9.1 des Gewindebolzens 9 legt sich satt an die untere Fläche des genannten Wandteiles an. Das Gewinde ist dabei derart gestaltet, dass ein begrenztes Verdrehen der Leitschaufel 7 möglich ist.
Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist wiederum ein Leitschaufelzapfen vorgesehen. Die gezeigte Lagerkonstruktion ist hierbei etwas aufwändiger, als jene gemäß 3. Siehe den Lagerbock 10.
Bezugszeichenliste

1: Laufrad
1.1: Laufschaufeln
2: Welle
2.1: Drehachse
3.1: obere Betonkonstruktion
3.2: untere Betonkonstruktion
4: Spiralgehäuse
4.1: Auslassöffnung des Spiralgehäuses
4.2: Traverse des Spiralgehäuses
5: Zulaufkanal
6: Turbinendeckel
6.1: Versteifung
6.2: Lagerbuchse
7: Leitschaufel
7.1: oberer Leitschaufelzapfen
8: Arbeitsgang
9: Gewindebolzen
9.1: Kopf des Gewindebolzens
10: Lagerbock

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10100963 A1 [0001]

Claims

Wasserturbine, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile: 1.1 eine Welle (2) mit vertikaler Drehachse (2.1); 1.2 von der Welle (2) getragene Schaufeln (1.1); 1.3 ein Spiralgehäuse (4), das die Welle (2) umschließt; 1.4 einen Zulaufkanal (5), der zwischen Spiralgehäuse (4) und den Schaufeln (1.1) angeordnet ist und einen Krümmer umfasst; 1.5 einen Deckel (6), der den Raum zwischen dem Spiralgehäuse (4) und der Welle (1.1) absperrt; 1.6 eine Mehrzahl von Leitschaufeln (7), die innerhalb des Krümmers angeordnet und mit ihren Längsachsen gegen die Drehachse der Welle (2) geneigt sind, das obere Ende der Leitschaufeln mit der Leitschaufelverstelleinrichtung befindet sich näher an der Drehachse als das untere stromabwärtige Ende; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.7 der Deckel (6) weist Lagerbohrungen zum Aufnehmen der oberen Enden der Leitschaufeln (7) auf; 1.8 der Deckel (6) sowie die Lagerung der Lautschaufeln (7) weisen eine Steifigkeit auf, die es ermöglicht, die montierten Leitschaufeln (7) frei auskragend zu tragen; 1.9 der dem Deckel (6) gegenüberliegende Wandungsteil des Zulaufkanals (5) weist Bohrungen zum Hindurchführen von Lagerzapfen für die Leitschaufeln (7) auf.
Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Deckel (6) im Bereich der Bohrungen gerundet, insbesondere kugelig ausgeführt ist.
Verfahren zum Montieren einer Wasserturbine gemäß Anspruch 1 oder 2 mit den folgenden Verfahrensschritten: 3.1 die Welle (2), der Turbinendeckel (6) und die Leitschaufeln (7) werden außerhalb der Wasserturbine zu einer transportfähigen Einheit vormontiert; 3.2 die vormontierte Einheit wird von oben her auf die Spirale (4) oder den Traversenring (4.2) aufgeschoben; 3.3 die Leitschaufeln (7) werden mit ihren unteren Enden an ein Wandlungsteil des Zulaufkanals (5) gelagert, der dem Deckel (6) gegenüber liegt; 3.4 die Fixierung der Leitschaufeln im unteren Wandlungsteil erfolgt durch den Montageraum (8).