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Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Im Allgemeinen besteht die Bestrebung die stationär betriebenen Wasserturbinen, z. B. für die Wasserkraftwerksanwendungen, weitgehend in ihren Wirkungsgrad optimalen Betriebspunkten zu halten, um die höchste Effizienz des Wasserenergie-Potenzials bei der Umwandlung in die mechanisch verwertbare Arbeit und Transformation in einen elektrischen Stromfluss mittels des anzutreibenden elektrischen Generators zu erreichen. Um die Forderungs-Schwankungen hinsichtlich dem Bedarf an Turbinenleistungen unter den nicht immer konstanten Randbedingungen des Wassergefälles und abrufbaren Volumenstromes zu befriedigen, besitzen die verschiedenen Turbinentypen häufig variable Geometrien der Turbinenrad-Zuströmung, wie z. B. verstellbare Leitvorrichtungen anhand von drehbaren Leitschaufeln.
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Die drehbare Leitbeschauflung, die bei den herkömmlichen Radialturbinen, die im Anwendungsbereich der Wasserturbinen auch als Francis-Turbinen bezeichnet werden, sind schon über 100 Jahre Stand der Technik. Durch die einjustierbare Leitschaufelposition ist der Eintrittsdrall des Turbinenrades, bzw. die spezifische Turbinenleistung und die erzielbare Durchsatzkapazität, bzw. der Volumenstrom der Wassermenge durch den variabel einregelbaren Strömungsaustrittswinkel des Leitgitters und die davon abhängige im Allgemeinen engste Strömungsfläche der Turbine gegeben.
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Neben einem möglichst hohem Wirkungsgradniveau im Auslegungspunkt der Turbine wünscht man sich bei vielen Anwendungen auch deren Fähigkeit einer großen Volumenstrom-Spreizung durch die variable Vorrichtungen der Turbine zusammen mit einem gutmütigen Turbinenwirkungsgradverhalten. Insbesondere bei großen Schwankungen des zu verwertenden Druckgefälles der Turbinen ist die Fähigkeit einer größeren Durchsatzspreizung vorteilhaft, um den temporär geforderten absoluten Leistungen, z. B. zum Antrieb eines elektrischen Generators, an den die Turbine angekoppelt wäre, gerecht zu werden.
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Die
CN204591564 (U) offenbart eine Francis-Turbine, die zusätzlich zu der erwähnten variablen Turbinenradeintrittsgeometrie auch drehbare Beschauflungen am Radaustritt aufweist. Hierdurch werden neben der Beeinflussung des Eintrittsdralls und der Durchsatzkapazität der Turbine von der Eintrittsvariabilität her und durch die hier zusätzliche Austrittsvariabilität der Turbine, beide im stationären Absolutsystem angeordnet, eine positive Einflussnahme auf das Verhalten des Turbinenwirkungsgrads und der Kavitation, bei einer Einflussnahme auf einen stabilen Lauf der Turbine erwartet. Diese Turbine besitzt somit äußerst komplexe Vorrichtungen, die im Zusammenhang mit der unten beschriebenen Erfindung als A1- und A20-Variabilität aufgefasst werden kann. Zu bemerken ist, dass die Austrittsvariabilität stromab des einen und einzigen Radaustrittsquerschnitts A20 keine Steigerung des maximalen Wasser-Volumenstroms mit einer vergrößerten Gesamtdurchsatz-Spreizung erbringen kann, da der engste Radaustrittsquerschnitt A20 auch bei der Variation der sich davon stromab befindenden variablen Austrittsvorrichtung keine wesentliche Vergrößerung des dafür maßgebenden effektiven Strömungsquerschnitts im drehenden Relativsystem des engsten Radaustrittsquerschnitts nach sich zieht.
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Die
DE 198 03 390 C1 offenbart Wasserturbinenräder für Francis-Turbinen, die als Hauptmerkmale zur Turbinendrehachse verdrehbare Ringelemente mit integrierten Teilbeschauflungen enthalten. Diese einstellbaren zwei Ringelemente sind in den dargelegten Beispielen im Eintritts- und im Austrittsbereich platziert, wo über die Ringelemente die Turbinenradbeschauflungsbereiche-Eintritt-Mittelbereich-Austrittzueinander in Umfangsrichtung verschiebbar sind. Würde es gelingen dieses Verdrehen der beschaufelten Ringelemente im laufenden Betrieb regelnd durchzuführen, hätte man zwei Turbinenradvariabilitäten im drehenden Relativsystem, die in einer gewissen Weise auf das Durchsatz- und Wirkungsgradverhalten am Radeintritt und am Radaustritt einwirken könnten. Anhand der Offenlegung der Beispiele jedoch dürften die Auswirkungen auf eine ggf. gewünschte hohe Spreizung der variablen Durchsatzfähigkeit voraussichtlich nur in einem bescheidenen Maße ermöglichbar sein, da der engste geometrische Turbinenaustrittsquerschnitt nur in geringer Weise dadurch beeinflussbar ist.
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Die Offenlegung der
DE 11 2013 002 285 , beschreibt ein Pumpspeicherkraftwerk, das als Archimedisches Speicherkraftwerk bezeichnet wird und auf Gewässern als schwimmendes Pumpspeicherkraft konzipierbar ist. Da hier im Besonderen große Schwankungen des Turbinengefälles vorliegen, wünscht man sich ein Turbinentyp, der eine große Spreizung des Wasserdurchsatzes erlaubt, der über die Volumenstrom-Spreizungen der herkömmlichen Francis-Turbinen mit variablen Eintrittsvariabilitäten (A1-Variabilitäten) und maximal möglichen Radaustrittsquerschnitten (A20), die auch in Abhängigkeit zu dem gewichten Parameter Radeintrittsdurchmesser D1 in Verbindung zum Radaustrittsdurchmesser D2t steht, hinaus geht. Gelingt es gegenüber herkömmlichen Wasserturbinen der eingangs geschilderten Art den Bedarf der Kennfeld-Verbreiterung hinsichtlich einer Volumenstromspreizung mit gutmütigem Wirkungsgradverhalten ohne die Eintrittsdurchmesser der Wasser-Turbinenräder der herkömmlichen Turbinenräder anzuheben, wird eine wirksame Verbesserung in der Anpassbarkeit der Wasserturbinen an die facettenreichen, vorliegenden Randbedingungen mit günstigem hydraulischem und mechanischen Verhalten bewerkstelligt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Wasserturbine, im Besonderen für Wasserkraftwerke zu schaffen, welche eine sehr hohe Raddurchsatzfähigkeit besitzt, wodurch eine sehr hohe Wasserschluckfähigkeit der Turbine ermöglicht wird, so dass eine ungewöhnlich große Volumenstromspreizung mittels Turbinenvariabilitäten realisierbar wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Wasserturbine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Wasserturbine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Turbine eine sehr hohe Anpassungsfähigkeit an die Randbedingungen über eine sehr hohe Wasserschluckfähigkeit aufweist, sind erfindungsgemäß ein zweiter Wasserturbinenradaustrittsbereich mit einem zweiten, dem ersten Austrittsquerschnitt in axialer Richtung gegenüberliegenden Austrittsquerschnitt des Turbinenrads und wenigstens ein Stellelement vorgesehen, wobei mittels des Stellelements eine das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmende Menge des Wassers einstellbar ist. Mit anderen Worten weist das Turbinenrad einen zweiten Turbinenradaustrittsbereich mit einem zweiten Austrittsquerschnitt auf, wobei der erste Austrittsquerschnitt auf einer ersten Seite des Turbinenrads und der zweite Austrittsquerschnitt auf einer der ersten Seite in axialer Richtung des Turbinenrads gegenüberliegenden, zweiten Seite angeordnet ist. Mittels des Stellelements ist eine bedarfsgerechte Einstellung der Menge des Wassers möglich, welches das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmt. Durch die bedarfsgerechte Einstellung dieser Menge, wobei beispielsweise der zweite Austrittsquerschnitt selbst eingestellt wird, ermöglicht die Darstellung eines sehr großen Gesamtquerschnitts des Turbinenrades, welcher die beiden Austrittsquerschnitte umfasst und über welche das Turbinenrad vom Wasser abströmbar ist.
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Wird der zweite Austrittsquerschnitt beispielsweise zu dem ersten Austrittsquerschnitt zugeschaltet bzw. vergrößert, so können das Turbinenrad und die Turbine von einer besonders hohen Menge an Wasser, d. h. von einem besonders hohen Volumenstrom und/oder Massenstrom des Wassers durchströmt werden. Die Turbine weist somit eine sehr hohe Schluckfähigkeit und folglich ein hohes Potenzial an maximal möglicher Turbinenleistung bei dem Turbinenraddurchmesser der herkömmlichen Turbine auf.
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Die Schnellläufigkeit der Turbine lässt sich über den zusätzlich aktivierbaren Radaustrittsquerschnitt entsprechend der Querschnittsauslegung stark anheben, wodurch man sich in der Offenposition der Radaustritts-Stelleinrichtung an geringe Gefällhöhen mit hohen Volumenströmen anpassen kann, die sich jenseits der herkömmlichen Francis-Turbinen befinden. Hierbei ist der Freiheitsgrad des zweiten Schaufelwinkels des zweiten Abströmquerschnitts sehr gewichtig für die Erzielung des gewünschten Verhaltens dieser neuartigen Turbine. Des weiteren bietet die Erfindung dazu gegenläufige Entwicklungen von einer ermöglichten Richtung zur Langsamläufigkeit hin mit erhöhten Gefällen und relativ geringen Durchsatzwerten der Turbine an, die bei relativ geringen Querschnitten der Radeintrittsvariabilität und somit relativ geringen Wasser-Volumenströmen und einer maximal genutzten Radaustrittsfläche bei geöffneter Radaustritts-Stelleinrichtung. Hierdurch lässt sich eine Annäherung an eine Gleichdruckturbine mit hohen Wasser-Strömungsgeschwindigkeiten am Radeintritt, bzw. an eine Pelton-Turbine zur Verarbeitung von vergrößerten Gefällhöhen erzielen, im Besonderen dann, wenn der zusätzliche Radaustritt direkt mit der Umgebungsluft, bzw. dem Umgebungsdruck über eine angepasste Beschauflung hinsichtlich dem Radaustrittswinkel für geringste Austrittsverluste sorgt.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist das Stellelement innerhalb wenigstens eines Gehäuseelements, insbesondere des Turbinengehäuses, der Wasserturbine angeordnet. Dadurch kann ein geringer Bauraumbedarf der Turbine realisiert werden.
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Zur Realisierung eines besonders effizienten Betriebs der Wasserturbine ist wenigstens ein Eintrittselement vorgesehen, mittels welchem ein stromauf des Turbinenrads angeordneter und von dem Turbinenrad zuzuführendem Wasser durchströmbarer Eintrittsquerschnitt einstellbar ist. Die Turbine und insbesondere ihr Eintrittsquerschnitt und ihr zweiter Austrittsquerschnitt kann somit besonders variabel an unterschiedliche Betriebspunkte und somit an unterschiedliche Volumenströme und/oder Massenströme des Wasser angepasst werden. Ferner ist es also möglich, besonders große Durchsatzspreizungen der Wasserturbine zu realisieren.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind das Eintrittselement und das wenigstens eine Stellelement über eine Kopplungseinrichtung miteinander gekoppelt. Dadurch ist es beispielsweise möglich, das Eintrittselement und das wenigstens eine Stellelement über die Kopplungseinrichtung mittels wenigstens eines dem Eintrittselement und dem wenigstens einen Stellelement gemeinsamen Stellglieds zu verstellen. Dies führt zu einer nur sehr geringen Teileanzahl, einem geringen Gewicht sowie einem geringen Bauraumbedarf der Turbine. Diese Kopplung lässt sich in einfacher Weise mechanisch aber auch hydraulisch oder auch elektrisch unterstützt verwirklichen.
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In weiterer besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Kopplungseinrichtung dazu ausgelegt, dass das Eintrittselement in einem ersten Teilbereich seines Verstellbereichs unabhängig von dem wenigstens einen Stellelement und in einem zweiten Teilbereich des Verstellbereichs zusammen mit dem wenigstens einen Stellelement bewegbar ist. Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Verstellbarkeit des Eintrittselements und des wenigstens einen Stellelements geschaffen, so dass die Turbine bedarfsgerecht an unterschiedliche Betriebspunkte angepasst werden kann. Dabei ist es möglich, im ersten Teilbereich des Verstellbereichs den Eintrittsquerschnitt einzustellen, d. h. zu verändern, ohne dass damit eine Einstellung, d. h. Veränderung des zweiten Austrittsquerschnitts, insbesondere der Menge des das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmenden Wassers, einhergeht.
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Mit anderen Worten kann – trotz der Kopplung des wenigstens einen Stellelements mit dem Eintrittselement – im ersten Teilbereich des Verstellbereichs der Eintrittsquerschnitt beeinflusst werden, ohne den zweiten Austrittsquerschnitt bzw. die Menge des das Turbinenrad über den zweiten Austrittsquerschnitt abströmenden Wassers zu beeinflussen.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn ein Verhältnis des zweiten Austrittsquerschnitts zu einer Summe aus dem ersten Austrittsquerschnitt und dem zweiten Austrittsquerschnitt in einem Bereich von einschließlich 0,20 bis einschließlich 0,60 liegt. Hierdurch kann einerseits eine besonders hohe Schluckfähigkeit und andererseits eine Absenkung der spezifischen Drehzahl der Turbine, bzw. die Beeinflussung des Reaktionsgrades der Turbine realisiert werden.
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Schließlich hat es sich als besonders für die Umlenkungseigenschaften und die Kanalflächendimensionierungen für das durchströmende Wasser vorteilhaft gezeigt, wenn das Turbinenrad erste Laufradschaufeln, welche beiden Austrittsquerschnitten zugeordnet sind, und zweite Laufradschaufeln, welche bezogen auf die Austrittsquerschnitte lediglich dem zweiten Austrittsquerschnitt zugeordnet sind, aufweist. Mittels dieser Laufradschaufeln kann das Wasser für den zusätzlichen Austrittsquerschnitt und Schaufelaustrittswinkel sehr gut geführt werden, so dass das Turbinenrad in seiner Gesamtheit effizienter antreibbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Hauptansicht der Turbine, gezeigt in der Schließstellung des zusätzlichen Stellelements am Radrücken und in gestrichelter Form deren Öffnungsposition;
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2 ausschnittsweise eine schematische Draufsicht der Turbine als Zylinderschnitt F-F gemäß 1, und zwar in der Abwicklung dieser Zylinderfläche;
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3 eine Prinzipdarstellung von Elementen eines Wasserkraftwerks, wobei die erfindungsgemäße Turbine mit ihren beiden Radaustrittsquerschnitten und deren Abströmhauptrichtungen und dem zusätzlichen Stellelement sichtbar ist;
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4 eine Prinzipdarstellung von Elementen eines Wasserkraftwerks mit zwei oberen Gewässern unterschiedlicher Fallhöhe, wobei die erfindungsgemäße Turbine mit ihren beiden Radaustrittsquerschnitten und dem zusätzlichen Stellelement sichtbar ist und die Wasserausströmung aus dem zusätzlichen Radaustritt und Turbinenaustritt direkt in die Umgebungsluft erfolgt;
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5 ein Prinzip-Diagramm des Turbinenwirkungsgrades über dem Wasservolumenstrom bei konstanter Fallhöhe und dem Öffnungsverlauf der Eintrittsvariabilität, wobei der eine Kurvenzug den geschlossenen zusätzlichen Radaustrittsquerschnitt und der andere Kurvenzug den geöffneten zusätzlichen Radaustrittsquerschnitt in deren Wirkung auf den Volumenstrombereich und das Wirkungsgradverhalten kennzeichnet.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt die Turbine 2 in einer Hauptansicht, wobei sich das zweite Stellelement 13 der A2-Variabilität in seiner Schließposition 13.1 befindet und die Wasserdurchströmung des Turbinenrades 20 rückseitig direkt zum Gehäuseelement 19.2 gegenüber dem zusätzlichen Radaustrittsbereich 14 über eine Konusfläche abdichtet. Die Öffnungsposition 13.2 des zusätzlichen Stellelements 13, das hier im Beispiel ein Axialschieber als Ringkolben darstellt, wird in dieser zweiten Grenzposition mit gestrichelten Linienzügen gezeigt, in der nun die maximale Wassermenge über den vollen A2-Radquerschnitt in den Sammelraum 14 des zweiten Turbinenaustritts ausströmt.
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In der Öffnungsposition 13.2 des Axialschiebers 13 erfolgt also die Radabströmung zum Einen über den herkömmlichen unverstellbaren Radaustrittsquerschnitt A20 und zum Andern durch den verstellbaren Radaustrittsquerschnitt A2. Im leckagefreien Fall der Schließposition 13.1 wird der Nulldurchfluss des Wassers am Radrücken erreicht und bei vollständiger Öffnung 13.2 bei einer weitgehenden bis nahezu vollständigen Entdrosselung des zweiten Radaustritts 14 werden jetzt die zwei vollwertigen Turbinenaustrittsquerschnitte A20 und A2 mit größtmöglichster Wasser-Durchsatzfähigkeit des Turbinenrades zur Wirkung gebracht.
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Der Axialschub auf das Stellelement 13 durch das strömende Wassers in der Turbine innerhalb des Verstellbereichs 13.1 und 13.2 wird durch das im Ringkolben befindende Druckwassers 8.1 zumindest für eine Erleichterung der Verstellfähigkeit, ggf. auch durch weitere Zuhilfenahme von Federsystemen, genutzt.
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Die beiden Durchströmrichtungen des Wassers vom Turbineneintritt über das Sammelgehäuse, bzw. Spirale in die Ringdüse 11 mit der stromab folgenden Verstellvorrichtung 10 der Eintrittsvariabilität A1 vor dem Turbinenrad 20 des Gehäuselements 19.1 und weiter in das Turbinenrad 20 bis in die Radaustrittsbereiche 12 und den zweiten Austrittsbereich 14 werden mit den durchgezogenen und gestrichelt, gepfeilten Linienverläufen 17 und 18 kenntlich gemacht.
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Die Beschauflungen 16.1 als Vollbeschauflung über der gesamten axialen Schaufellänge des Rades und die Zwischenschaufeln 16.2 als Teilbeschauflung axial vom Radrücken bis mehr oder weniger weit stromab der Radeintrittsbreite B1 und vor dem engsten Radaustritt A20 endend gezogen, werden vom Rad-Nabenkörper 15 bei möglichst radialstehender Schaufel fliehkraft- und schwingungsstabil aufgenommen, wobei dessen Zentrallinie die Raddrehachse 22 bildet.
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Mittels der Radeintrittsvariabilität A1, die mit der Stelleinrichtung 10 als Beispiel eine drehbare Leitbeschauflung mit dem engsten Austrittsquerschnitt A1 besitzt, lässt sich in Kombination mit der Radaustrittsvariabilität A2 eine große Variationsbreite von Schnellläufigkeiten der Turbine durchführen. Im Besonderen bei einer Radgeometriefestlegung, die einen Radaustrittsdurchmesser D2t, außen, vorliegen hat, der sich vom Turbinenradeintrittsdurchmesser D1 zu kleineren Werten nur gering unterscheidet oder sogar identisch ist, sind mit der Öffnung beider Variabilitäten A1 und A2 hohe Schnellläufigkeiten jenseits der herkömmlichen Fancis-Turbinen zu erreichen.
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Möchte man sich hingegen Betriebsbereiche mit günstigen Turbinenwirkungsgraden befriedigen, die eher Langsamläufer mit hohen Gefällhöhen und relativ niederen Volumenströmen und damit im Allgemeinen den Gleichdruckturbinen des Typs der Pelton-Turbinen vorbehalten sind, wird das Zufahren der A1-Variabilität zu relativ niederen engsten Düsenquerschnitten der variablen Leitbeschauflung bei diesen in Summe extrem hohen Radquerschnitten, bezogen auf den relativ kleinen Raddurchmesser D1, zu dieser Anpassung führen. Um höhere Belastungen der A1-Eintrittsvariabilität 10 zu bewerkstelligen, wie sie bei einem peltonähnlichen Betrieb auftreten, sind Mehrsegment-Zungenschieber-Verstellvorrichtungen mit hoher mechanischer Stabilität und unempfindlichem Verhalten bei wenigen beweglichen Teilen sehr vorteilhaft.
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1 zeigt zudem einen Zylinderschnitt F-F der Laufradschaufeln 16.1 und 16.2 des Turbinenrads 20. Dementsprechend ist vom Turbinenrad 20 in 2 ein Radsegment der betreffenden Abwicklung des Zylinderschnitts F-F erkennbar. Aus 2 ist besonders gut die Gestaltung der Laufradschaufeln 16.1 und 16.2 erkennbar. Die Laufradschaufel 16.1 weist zu einer dem ersten Austrittsquerschnitt A20 zugeordneten Schaufelaustrittsfront hin einen ersten Radaustrittswinkel β20 und zu einer dem zweiten Austrittsquerschnitt A2 zugeordneten Schaufelfront des Radrückens hin einen zweiten Radaustrittswinkel β2 auf. Die jeweiligen Radaustrittswinkel β20 und β2 liegen bezogen auf einen jeweiligen Mittelwert in einem Bereich von einschließlich 20° bis einschließlich 60°, so dass bezogen auf die Austrittsquerschnitte A20 und A2 eine vorteilhafte Strömungsumlenkung des Wassers im Turbinenrad 20 bewirkt werden kann. Die jeweilige Abströmrichtung des Wassers von der Laufradschaufel 20 im Absolutsystem würde im Optimalfall die axiale Richtung einnehmen. Die Form der Laufradschaufeln 16.1 und 16.2 lassen sich zumindest näherungsweise mittels Parabel- bzw. Ellipsenteilkurven beschreiben, die einen Scheitelpunkt und die beiden Endpunkte mit den Radaustrittstangenten besitzen, welche die jeweiligen Radaustrittswinkel β20 und β2 zu den beiden betreffenden Schaufelfronten entgegen der Drehrichtung des Turbinenrads 20 einschließen, wobei die Drehrichtung des Turbinenrads 20 in 2 durch einen Richtungspfeil U dargestellt ist. Die Schaufelfronten sind zusammen mit dem Radrücken Schaufelaustrittsfronten.
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Die Laufradschaufeln 16.1 und 16.2 weisen somit zwei Austrittskanten auf, über die die Laufradschaufeln 16.1 und 16.2 vom Wasser abgeströmt wird. Eine erste der Austrittskanten ist der herkömmlichen Schaufelfront und somit dem ersten Austrittsquerschnitt A20 zugeordnet, während eine zweite der Austrittskanten der Schaufelfront am Radrücken und somit dem zweiten Austrittsquerschnitt A2 zugeordnet ist. Wie aus 2 also zu erkennen ist, weist das Turbinenrad 20 eine sogenannte Splitbeschaufelung mit den kurzen Laufradschaufeln 16.2 und den langen Laufradschaufeln 16.1 auf. Das Turbinenrad 20 ist somit an die Verwendung von beiden Austrittsquerschnitten A20 und A2 angepasst, was dem Wirkungsgrad zugute kommt. Das Turbinenrad 20 weist hiermit eine doppelte Schaufelanzahl für den Wasserteilstrom auf, der auf kurzem Wege eine Strömungsumlenkung im drehenden Relativsystem mit reduzierter wirkungsgradgünstiger, geringerer Minderumlenkung erfährt.
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In 1 und 2 ist die Drehachse, um die das Turbinenrad 20 drehbar ist, mit 22 bezeichnet. Das Stellelement 13 ist gemäß 1 und 2 als axial verschiebbarer Ringkolben ausgebildet, welcher auch als Stellelement bezeichnet wird. Gemäß 1 befindet sich das Stellelement 13 in ihrer Schließstellung 13.1, wodurch der gesamte Wasserstrom nur durch den herkömmlichen, ersten Austrittsquerschnitt A20 ausströmen kann. Die Unterstützung für eine erleichterte Verstellfähigkeit des Axialschiebers 13 wird durch eine Beaufschlagung des Kolbeninnenvolumens entgegen der Kraftrichtung des strömenden Wassers in der Turbine durch das Druckwasser 8.1 aufgebracht.
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Die in 1 und 2 gezeigte maximale Offenstellung 13.2 des Ringkolbens in gestrichelter Darstellung gibt einen Sammelraum 14 für das Ausströmen des maximalen Wasserteilstroms frei. Zwischen diesen beiden Extrempositionen in Form der Schließstellung und der Offenstellung sind beliebig viele Zwischenstellungen in axialer Richtung 21 möglich, die die temporäre Gesamtdurchsatzkapazität und die Aufteilung des ausströmenden Wasserstroms durch die beiden Austrittsquerschnitte A2 und A20 der Turbine 2 zu den nachfolgenden beiden Austrittskanälen stromab der Sammelräume 12 und 14 festlegt.
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Der Sammelraum 14 mündet zumindest in einem Fall im Wesentlichen wasserdicht in eine Austrittsverrohrung, die zumindest weitgehend radial zur Drehachse 22 und dann axial hin um die Gehäuse 19.2 und 19.1 zu einer Austrittsverrohrung des ersten Austrittsquerschnitts A20 geführt wird. Die dem ersten Austrittsquerschnitt A20 zugeordnete Wasserverrohrung, welche vom das Turbinenrad 2 über den ersten Austrittsquerschnitt A20 abströmenden Wassers durchströmbar ist, und die dem zweiten Austrittsquerschnitt A2 zugeordnete Wasserverrohrung, die vom das Turbinenrad 20 über den zweiten Austrittsquerschnitt A2 abströmenden Wassers durchströmbar ist, sind vorzugsweise stromauf einer einzigen langen Austrittsleitung fluidisch nicht weit stromab vom Austrittsbereich 12 miteinander verbunden, d. h. zusammengeführt. Um geringe Gegendrücke am zweiten Austrittsbereich 14 vorliegen zu haben ist im anderen Fall auch eine autarke kurze oder gar keine Verrohrung als zweiter Turbinenaustritt direkt zur Umgebungsluft aus Wirkungsgradgründen sehr vorteilhaft, im Besonderen dann, wenn die Austrittsverluste des zweiten Teil-Wasserstroms durch einen gut angepassten Schaufelwinkel β2 bei der entsprechenden Laufraddrehzahl nieder gehalten werden.
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Ein wesentlicher Parameter der Auslegung dieser neuartigen Turbine mit zwei Radquerschnitten A20 und A2, wobei der eine Radquerschnitt A2 als effektiver Strömungsquerschnitt des zweiten Turbinenradaustritts A2 in seiner Durchströmwirkung bis zum Wert 0 variabel einstellbar ist, ist die Aufteilung des Gesamtquerschnitts A20 + A2 in das Verhältnis von A2/A20. Ohne im Detail die Wirkung des Auslegungsbereichs zu beschreiben, kann plausibel der Wertebereich von 0,20 ≤ A2/(A20 + A2) ≤ 0,60 genannt werden. In den vielen Anwendungsrandbedingungen kann dort z. B. durch Begünstigung der Reaktionsgrade durch das Zusammenspiel der A1-Eintrittsvariabilität mit der A2-Austrittsvariabilität jetzt über den wirksamen, effektiven Turbinenradaustrittsquerschnitt (A20 + A2) die Anpassung der optimalen Strömungsquerschnittsverhältnisse durchgeführt werden und dadurch ein gutmütiges Wirkungsgradverhalten auch im extremen Teillastgebiet der Turbine erfolgen.
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Die 3 gibt eine Prinzip-Darstellung eines Wasserkraftwerks 1 mit der erfindungsgemäßen Turbine 2, die zwei Turbinenrad-Austrittsquerschnitte A20 und A2 besitzt. Mittels der A2-Variabilität lässt sich der Turbinenrad-Austrittsquerschnitt A2 Zu- oder Abschalten, wobei sich die effektiven Strömungsquerschnitte zwischen diesen beiden Grenzpositionen über die Stellvorrichtung 13 stufenlos regeln lassen. Mittels der Welle 3.1 ist an die Turbine 2 eine elektrische Maschine 3 angekoppelt, die im Allgemeinen als elektrischer Generator betrieben wird und ein Stromfluss über Stromleitungen, die an den Klemmen 3.2 befestigt sind, den betreffenden Verbrauchern zuführt. Der Wasserzufluss aus dem oberen Gewässer 6 mit der vorliegenden Fallhöhe H wird über die Verrohrung 6.1 der Turbine 2 zugeleitet. In der Zuführverrohrung befindet sich als Sicherheitseinrichtung eine Schnellabschaltvorrichtung 5, die ein Sicherheitsventil beinhaltet und den Wasserfluss, bzw. Energiezufluss zur Turbine in kürzester Zeit unterbinden kann, um z. B. ein Durchgehen des Turbinen- und Generator-Rotors bei einem sich andeutenden Schadensfall bestimmter Bauteile unmittelbar abzufangen. Der Wasserabfluss aus den beiden Radaustrittsquerschnitten A20 und A2 wird über die Austrittsverrohrungen 7.2 und 7.2 in das untere Gewässer 7 durchgeführt. Wie oben schon angedeutet ist auch vorstellbar, dass die Austrittsverrohrung 7.2 um die Turbine zur Austrittsverrohrung 7.1 geführt und in sie eingeleitet wird bevor dann nur ein Austrittsrohraustritt 7.1 das gesamte Turbinenwasser in das untere Gewässer ausfließen lässt. Eine große Bedeutung kommt der Kraftwerksregelung 4 zu mit der das Signal 4.0 für das Sicherheitsventil 5, das Signal 4.1 an den Aktuator der A1-Eintrittsvariabilität, das Signal 4.2 an den Aktuator der A2-Radaustrittsvariabilität 13 und das Signal 4.3 an den elektrischen Generator 3 zur Sollwerteinregelung der gewünschten Betriebspunkte geleitet wird. Zur Beherrschung der Axialkräfte, die von dem turbinendurchströmenden Wasser auf den Axialschieber 13 wirken, wird an einer definierten „Wasserhöhe”, bezogen zur Turbine, an der Turbinenzuströmleitung 6.1 ein Wasserdruck für eine Druckleitung 8 abgezapft. Der Wasserdruck 8.1 der Leitung 8 wird dann zumindest teilweise evtl. ausgangsseitig eines Druckmodulators auf den Stellschieber 13, z. B. in deren Innenvolumen, dem Druck des Turbinendurchflusses, der auf die Stirnseite des Axialschiebers 13 wirkt, entgegen gehalten, um den Verstellkräftebedarf des Schiebers 13 zu reduzieren. Je nach Berücksichtigung von Sicherheitsüberlegungen könnte diese Schließkraft des Schiebers, die auf das Druckwasser 8.1 zurückgeht nach Ausfall des Aktuators des Schiebers 13 die Schieberöffnung zum Sammelraum 14 gegenüber dem Wasserdruck des Turbinendurchflusses verhindern und die Konusfläche weiterhin leckagefrei, praktisch autark abdichten, wodurch der A2-Radaustrittsquerschnitt keinen Wasserdurchfluss mehr erfährt und nur das Wasserabströmen aus dem Radaustrittsquerschnitt A20 erfolgt.
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Auf der 4 werden analog der 3 nochmals die Hauptmerkmale eines Wasserkraftwerks 1 auf skizziert. Hier jedoch werden prinzipiell zwei obere Gewässer 6Ho und 6N gezeigt, die mit den Turbinen-Zuführleitungen 6.1Ho und 6.1N in eine gemeinsame Turbinen-Zuführleitung stromauf des Sicherheitsventils 5 einmünden. Im Beispiel dieser Darstellungen besitzt jedes obere Gewässer ein eigenes Absperrventil VHo, bzw. VN. Die beiden oberen Wasserquellen 6Ho und 6N für die eine Turbine sollen sich in den Fallhöhen H, bezogen auf die der einen Turbine, deutlich unterscheiden. In der Anforderung an eine optimale spezifische Drehzahl und den optimalen spezifischen Durchmesser der Turbine sind somit deutliche Unterschiede über die Gefällhöhen H und den ggf. einzustellenden Volumenströmen VP vorhanden. In dem einen Fall könnte es in Richtung der Langsamläufigkeit und in dem anderen Fall in Richtung einer gesteigerter Schnellläufigkeit gehen, wenn man eine Francis-Turbine als Ausgangsbasis annimmt. Aufgrund der geschaffenen zweiten Variabilität der A2-Verstellvorrichtung bietet sich nun auslegungsseitig die Möglichkeit der Anpassung an diese ausgeweiteten Anforderungen, die dem Turbinenverhalten einer Pelton-Turbine oder ggf. einer Axialturbine nahekommt. Für den Turbinenbetrieb mit der oberen Wasserquelle 6Ho, die eher die Richtung des Betriebes einer Pelton-Turbine bedarf, dürfte dann auch der kurze Turbinenaustritt 7.2L von Vorteil sein, der den Teilstrom des Wassers durch den Radaustrittsquerschnitt A2 nahezu direkt ohne Gegendruckeinfluss in die Umgebungsluft ausströmen lässt, wobei geringe Austrittsverluste bei axialer Abströmung angestrebt werden.
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Ein Prinzip-Diagramm als 5 zeigt mit der Ordinate O das Wirkungsgradverhalten über der Abszisse A, die den Volumenstrom VP der Turbine repräsentiert. Die in das Diagramm eingezeichneten zwei Wirkungsgrad-Kurvenzüge 100 und 101 werden unter der Bedingung konstante Gefällhöhe als Diagrammparameter D dargestellt. Die Wirkungsgradkurve 100 über A dem Volumenstrom VP wird aus der Schließposition 91 heraus mit der A1-Variabilität bis zur vollständigen Öffnungsposition 93 entsprechend der Pfeilrichtung S erzeugt, wobei der zweite Radaustrittsquerschnitt A2 des Turbinenrades über den Axialschieber verschlossen ist. Die weitgehend nach rechts zu größeren Volumenströmen VP verschobene Kurve 101 mit einem gewissen Wirkungsgradabschlag des Maximalwertes besitzt den Schließpunkt 92 der A1-Variabilität und den Öffnungspunkt 94, der durch die Öffnung des Radrücken-Austrittsquerschnitts A2 in der Schieberposition 13.2 zustande kommt. Während die Kurve 100 eher einer optimalen Francis-Turbine nahekommt, stellt die Wirkungsgradkurve 101 den Trend zur Axialturbine hin dar, deren Optimalwerte im Wirkungsgradverhalten in dieser Turbinenkonfiguration der neuartigen Turbine im Allgemeinen nicht vollständig erreichbar sein wird. Die Hüllkurve dieser beiden Grenzkurven dürften dennoch in der Realität ein gutmütiges Wirkungsgradverhalten mit stark erweiterter Volumenstrom-Spreizung bei der notwendigen Turbinenentwicklung dieser neuen Komponenten, wie Turbinenrad, A2-Verstelleinrichtung mit dem Abströmkanal stromab dem Turbinenrad-Rücken, liefern.
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Für viele Anwendungszwecke dürfte diese neuartigen Turbomaschine wertvolle und nützliche Eigenschaften zeigen, die auch von der Kostenseite und dem Bauraumbedarf Interessen wecken werden. Neben dem Einsatz als Kraftwerksturbine, die für den elektrischen Generator-Antrieb eine hohe Eignung mit sich bringt, ist die vielfältige Nutzung dieser Kombinationsturbine zum Antrieb von Strömungspumpen SP, im Besondern auch von Kreiselpumpen denkbar, die sich Umfeld von hydraulischen Wasser-Druckquellen befinden und in ihren Abmessungen auch sehr klein sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wasserkraftwerk
- 2
- Wasserturbine
- 3
- elektrische Maschine
- 3.1
- Welle elektrische Maschine-Turbine
- 3.2
- Klemmen für Stromleitungen
- 4
- Regelung
- 4.0
- Regelungssignale Abschaltvorrichtung
- 4.1
- Regelungssignale für Turbinenrad-Eintrittsvariabilität A1
- 4.2
- Regelungssignale für Turbinenrad-Austrittsvariabilität A2
- 4.3
- Regelungssignale elektrische Maschine
- 5
- Abschaltvorrichtung Wasserzuführung zur Turbine
- 6
- Oberes Gewässer
- 6Ho
- Oberes Gewässer Ho
- 6N
- Oberes Gewässer N
- 6.1
- Zuführung oberes Gewässer zum Turbinen-Eintritt
- 6.1Ho
- Zuführung oberes Gewässer Ho zum Turbinen-Eintritt
- 6.1N
- Zuführung oberes Gewässer N zum Turbinen-Eintritt
- 7
- Unteres Gewässer
- 7.1
- Zuführung Turbinenaustritt A20 zum unteren Gewässer
- 7.2
- Zuführung Turbinenaustritt A2 zum unteren Gewässer
- 7.2L
- Wasseraustritt A2-14 zur Umgebungsluft L
- 8
- Wasser-Druckzuführleitung zum ggf. Verstellkraftmodulator
- 8.1
- Druckwasser
- 10
- Verstellvorrichtung A1-Variabilität, z. B. Drehschaufeln
- 11
- Einströmringdüse stromab Sammelraum (Spirale)
- 12
- Turbinenradaustrittsbereich ggf. als Diffusor
- 13
- A2-Verstellvorrichtung, Axialschieber, Ringkolben
- 13.1
- A2-Verstellvorrichtung in Schließposition
- 13.2
- A2-Verstellvorrichtung in Offenposition
- 14
- Sammelraum stromab im Bereich des A2-Radquerschnitts
- 15
- Radnabenkörper mit Welle
- 16.1
- Laufrad-Hauptschaufeln
- 16.2
- Laufrad-Splitterschaufeln
- 17
- Strömungsrichtungsverlauf bis A20-Radaustrittsdiffusor
- 18
- Strömungsrichtungsverlauf bis A2-Radaustrittssammelr.
- 19.1
- Turbinengehäuse A20-seitig
- 19.2
- Turbinengehäuse A2-seitig
- 20
- Turbinenrad
- 21
- axiale Bewegungsrichtungen A2-Verstellvorrichtung
- 22
- Drehachse Turbinenrad
- 91
- Schließpunkt Eintrittsvariabilität A1, Radaustritt A2 zu
- 92
- Schließpunkt Eintrittsvariabilität A1, Radaustritt A2 auf
- 93
- Offenpunkt Eintrittsvariabilität A1, Radaustritt A2 zu
- 94
- Offenpunkt Eintrittsvariabilität A1, Radaustritt A2 auf
- 100
- Verlauf Turbinenwirkungsgrad über Volumenstrom, A2 zu
- 101
- Verlauf Turbinenwirkungsgrad über Volumenstrom, A2 auf
- A
- Diagramm-Abszisse Volumenstrom VP
- A1
- variabler engster Querschnitt vor Radeintritt
- A2
- zweiter variabler engster Radaustrittsquerschnitt
- A20
- engster konstanter Radaustrittsquerschnitt
- B1
- Radeintrittsbreite
- β2
- Schaufelaustrittswinkel zur Umfangsrichtung bei A2
- β20
- Schaufelaustrittswinkel zur Umfangsrichtung bei A20
- D
- Diagramm-Parameter: Turbinengefällhöhe H = konstant
- D1
- Turbinenrad-Eintrittsdurchmesser
- D2t
- Turbinenrad-Austrittsdurchmesser, aussen
- F-F
- Blickrichtung auf Zylinderabwicklung
- H
- Turbinengefällhöhe Umgebungsluft mit Umgebungsdruck
- O
- Diagramm-Ordinate Turbinenwirkungsgrad
- S
- Pfeilrichtung Flächen-Variabilität von geschlossen nach auf
- SP
- Strömungspumpe
- U
- Umfangsrichtung
- VHo
- Absperrventil oberes Gewässer Ho
- VN
- Absperrventil oberes Gewässer N
- VP
- Volumenstrom
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 204591564 U [0005]
- DE 19803390 C1 [0006]
- DE 112013002285 A [0007]
