DE102016207977A1

DE102016207977A1 - Laufrad für eine hydraulische Maschine

Info

Publication number: DE102016207977A1
Application number: DE102016207977.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Rohne; Thomas Aschenbrenner
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Laufrad für eine hydraulische Maschine, umfassend eine Vielzahl von Laufschaufeln, mit einer Eintritts- und einer Austrittskante, und einer Druck und einer Saugseite, wobei wenigstens eine der Laufschaufeln Öffnungen zum Einblasen von Gas in das das Laufrad umströmende Wasser aufweist, wobei die Öffnungen auf der Druckseite der Laufschaufel in der Nähe der Eintrittskante angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Laufrad für eine hydraulische Maschine vom Typ Francis oder Kaplan in einem Wasserkraftwerk. Bei der hydraulischen Maschine kann es sich um eine Pumpe, eine Turbine oder eine Pumpturbine handeln. Die Erfindung betrifft ferner eine hydraulische Maschine mit einem solchen Laufrad.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Laufräder für hydraulische Maschinen mit Kanälen zur Einleitung von sauerstoffhaltigen Gasen in das die hydraulische Maschine umströmende Wasser ausgerüstet sein können. Ziel dieser Einrichtung ist dabei die Erhöhung des Sauerstoffgehalts des Wassers. Beispielhaft sei hierzu auf die US 6,095,749 verwiesen. Die vorliegende Erfindung zielt jedoch in erster Linie darauf ab, hydraulische Verluste, die beim Durchströmen des Wassers auftreten, zu verringern, und dadurch den Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine zu erhöhen. Die Anreicherung des Wassers mit Sauerstoff stellt dabei nur einen positiven Nebeneffekt dar.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, die hydraulischen Verluste zu verringern und den Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine zu erhöhen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Laufrad mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. Diese Aufgabe wird ebenfalls durch eine hydraulische Maschine mit einem solchen Laufrad gelöst.
Die Erfinder haben sich von dem Gedanken leiten lassen, dass hydraulische Verluste durch Reibung des Wassers an den Flächen entstehen können, die den Wasserfluss begrenzen. Ein gattungsgemäßes Laufrad umfasst eine Vielzahl von Laufschaufeln, die jeweils eine Druck- und eine Saugseite umfassen. Die hydraulische Verluste erzeugende Reibung findet dabei hauptsächlich auf der Druckseite der Laufschaufeln statt. Die vorliegende Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine Reduzierung der Reibung auf der Druckseite der Laufschaufeln des Laufrades. Bei Schiffen ist bekannt, dass der Widerstand zwischen Schiff und Wasser durch die Einleitung von Luftblasen in die Grenzschicht verringert werden kann. Man spricht daher von Luftschmierung. Hierzu sei beispielhaft auf die EP 2 623 410 A1 verwiesen. Die Erfinder schlagen ein Laufrad vor, das so ausgebildet ist, das dieser Effekt zur Lösung des gestellten Problems genutzt werden kann.
Die Erfinder haben erkannt, dass der Effekt nur wirken kann, wenn die Gasblasen auf der Druckseite der Laufschaufeln und in der Nähe der Eintrittskante eingeblasen werden, wobei als Nähe der Eintrittskante der Bereich der Druckseite der Laufschaufel gilt, der ca. 1/3 der Laufschaufelfläche umfasst und sich an die Eintrittskante anschließt. Dadurch unterscheidet sich ein erfindungsgemäßes Laufrad von den Laufrädern gemäß dem Stand der Technik, da dort die Einblasöffnungen entweder in unmittelbare Nähe der Austrittskante der Laufschaufel oder auf der Saugseite der Laufschaufeln angeordnet sind (vgl. die genannte US 6,095,749 1–15, 20, 25 – an der Austrittskante,16–18 – Saugseite). Der unterschiedliche Zweck führt so zu einer unterschiedlichen Anordnung der Einblasöffnungen. Was die herstellungstechnische Ausführung der Einblaskanäle und Einblasöffnungen anbelangt, so können für die erfindungsgemäß angeordneten Einblasöffnungen alle im Stand der Technik bekannten Methoden verwendet werden.
Vorteilshaft ist es dabei, wenn die Öffnungen so angeordnet sind, dass ein möglichst großer Bereich der Druckseite der Laufschaufeln mit einem „Vorhang“ von Luftblasen überzogen werden kann. Das wird dann der Fall sein, wenn sich Öffnungen entlang der ganzen Erstreckung der Eintrittskante befinden. Geeignete Abstände zwischen den Öffnungen können dabei experimentell im Modelversuch oder mittels CFD-Rechnungen bestimmt werden.
Aus dem Gesagten ist auch klar, dass das Einblasen von Gas auf der Druckseite der Laufschaufeln nur mit Hilfe eines Gaskompressors erfolgen kann, da der an dieser Stelle erhebliche Wasserdruck überwunden werden muss. Daher muss bei einer erfindungsgemäßen hydraulischen Maschine ein solcher Gaskompressor vorgesehen werden. Der vom Gaskompressor aufzubringende Druck kann wiederum experimentell oder per CFD-Rechnung bestimmt werden. Dabei kann der jeweils benötigte Druck von den jeweils vorliegenden Betriebsbedingungen abhängen.
Bei Pumpturbinen wechselt die Betriebsrichtung des Laufrads. Somit ergibt sich auch ein Wechsel zwischen der Wirkung einer Laufschaufelkante als Eintritts- oder als Austrittskante und zwischen der Wirkung einer Laufschaufelseite als Druck- oder als Saugseite. Für ein solches Laufrad können Öffnungen auf beiden Seiten der Laufschaufeln vorgesehen sein. Allerdings liegen dabei die Öffnungen immer in der Nähe der Kante, die als Eintrittskante wirkt, wenn die betreffende Seite als Druckseite wirkt. Besonders vorteilhaft ist es in diesem Fall, wenn die Einblasung des Gases je nach Drehsinn nur in Öffnungen auf der jeweiligen als Druckseite wirkenden Seite der Laufschaufeln erfolgt.
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

US 6095749 [0002, 0006]
EP 2623410 A1 [0005]

Claims

Laufrad für eine hydraulische Maschine, umfassend eine Vielzahl von Laufschaufeln, mit einer Eintritts- und einer Austrittskante, und einer Druck und einer Saugseite, wobei wenigstens eine der Laufschaufeln Öffnungen zum Einblasen von Gas in das das Laufrad umströmende Wasser aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen auf der Druckseite der Laufschaufel in der Nähe der Eintrittskante angeordnet sind.
Laufrad nach Anspruch 1, wobei das Laufrad vom Typ Francis ist.
Laufrad nach Anspruch 1, wobei das Laufrad vom Typ Kaplan ist.
Laufrad nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Öffnungen sich entlang der gesamten Eintrittskante erstrecken und so angeordnet sind, dass die während dem Betrieb damit erzeugten Gasblasen einen möglichst großen Bereich der Druckseite der Laufschaufel bedecken.
Hydraulische Maschine mit einem Laufrad gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die hydraulische Maschine einen Gaskompressor zum Einblasen von Gas in das das Laufrad umströmende Wasser durch die Öffnungen in der wenigstens einen Laufschaufel umfasst.
Hydraulische Maschine nach Anspruch 5, wobei die hydraulische Maschine eine Turbine ist.
Hydraulische Maschine nach Anspruch 5, wobei die hydraulische Maschine eine Pumpe ist.
Hydraulische Maschine nach Anspruch 5, wobei die hydraulische Maschine eine Pumpturbine ist.