DE10255770A1

DE10255770A1 - Wasserturbine

Info

Publication number: DE10255770A1
Application number: DE10255770A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Kächele
Original assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG; Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2002-11-29
Filing date: 2002-11-29
Publication date: 2004-06-17
Also published as: WO2004051078A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine axiale Wasserturbine DOLLAR A - mit einem Laufrad, das eine Nabe sowie Laufschaufeln aufweist; DOLLAR A - mit einem Leitrad, das Leitschaufeln aufweist; DOLLAR A - mit einem das Laufrad und das Leitrad umgebenden Gehäuse; DOLLAR A - das Laufrad ist mit einer Turbinenwelle drehfest verbunden. DOLLAR A Die vorliegende axiale Wasserturbine ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: DOLLAR A - Es ist eine Dichteinheit zum Absperren des Spaltes oder zum Verringern der Weite des Spaltes zwischen der Umfangskante wenigstens einiger der Schaufeln und dem Gehäuse vorgesehen.

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, ein Leitrad sowie ein Gehäuse auf. Das Laufrad umfasst eine Welle sowie eine Anzahl von Schaufeln, die von der Welle getragen sind und mit dieser umlaufen. Die Schaufeln sind im allgemeinen um Drehachsen verstellbar, die senkrecht zur Längsachse der Welle verlaufen.
Das Verstellen der Schaufeln 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 Kaplanturbinen mit vertikaler Welle, aber auch solche mit horizontaler Welle.

Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern. Die Maßnahmen waren bis zu einem gewissen Grade erfolgreich. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist jedoch wünschenswert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kaplanturbine der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad gesteigert und die Kavitationsgefahr vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Der Erfinder hat sich auf einen Lösungsansatz konzentriert, der bisher in der Fachwelt kaum Beachtung fand. Er hat nämlich erkannt, dass im Bereich der Umfangskante der Schaufel erhebliche Wassermengen von der Druckseite zur Saugseite der Schaufel strömen. Diese Spaltströmung bedeutet eine erhebliche Verringerung des Wirkungsgrades. Außerdem bilden sich im Spalt Wirbelzöpfe, die zu Kavitation führen können.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
1 zeigt eine Kaplanturbine mit verstellbaren Schaufeln im Aufriss und teilweise im Schnitt.
2 zeigt eine Rohrturbine in einem Axialschnitt.
3 zeigt einen Teil eines Laufrades einer Kaplanturbine, teilweise im Axialschnitt sowie vergrößerte Detailansichten A und B.
4 zeigt die in 3 dargestellte Laufschaufel mit Dichtung in einer Ansicht auf den Umfangsbereich.
5 zeigt die Dichtung von 4 in einer vergrößerten Darstellung und in einer Schnittansicht A-A.
Die in 1 gezeigte Kaplanturbine weist ein Laufrad 1 auf, das von einer Welle 2 getragen ist. Die Welle 2 ist vertikal angeordnet. Das Laufwerk weist verstellbare Laufschaufeln 1.1 auf.
Das Laufrad ist von einer stromführenden Wandung 3 umschlossen. Es ist ferner ein Leitschaufelkranz 4 vorgesehen. Dieser ist in der Wandung 3 gelagert. Die Leitschaufeln 4.1 sind ebenfalls verstellbar.
Zum Verstellen dient eine erfindungsgemäße Verstelleinheit, bei welcher eine Verstellkraft aufgebracht wird, die proportional der Fallhöhe ist.
Die Laufschaufeln 1.1 tragen jeweils ein Dichtelement 30 an ihrem Umfangsbereich. Dies besteht aus einem elastischen und zugleich hochverschleißfesten Material. Es hat die Gestalt eines Bandes. Es liegt berührend oder fast berührend an der stromführenden Wandung 3 an, so dass quasi kein Spalt zwischen diesen beiden besteht.
Die in 2 dargestellte Kaplanturbine ist eine Rohrturbine mit horizontaler Welle. Dabei bildet eine rohrtörmige Wandung 3 einen Strömungskanal. Die Turbine weist wiederum die gleichen Bauteile auf, wie jene gemäß 1. Man erkennt ein Laufrad 1, ferner einen Leitschaufelkranz 4.
Bei dieser Konfiguration sind wiederum mechanische Dichtungen vorgesehen, und zwar sowohl zwischen den Schaufeln des Laufrades 1 und der Wandung 3 sowie zwischen den Schaufeln des Leitschaufelkranzes 4 und der Wandung 3. Die Dichtungen sind hier nicht näher dargestellt. Sie sind jedoch Bestandteil der Schaufeln, das heißt sie sind mit diesen fest verbunden, und liegen an der Innenfläche der Wandung 3 an.
Wie eine solche Konfiguration im Einzelnen aussieht, erkennt man aus den 3, 4 und 5.
3 veranschaulicht zwei Ausführungsformen. Siehe den links dargestellten Bereich A sowie den rechts dargestellten Bereich B. Siehe auch Detail A und Detail B.
In den genannten Figuren handelt es sich jeweils um eine Laufschaufel 1.1. Dieser Laufschaufel ist eine Dichteinheit 30 zugeordnet. Die Dichteinheit 30 umfasst ein Dichtelement 30.1.
Wie man aus Detail A erkennt, ist der Dichtung 30.1 ein Stützelement 30.2 zugeordnet. Das Dichtelement besteht aus elastischem, biegsamem, gummiartigem Material. Es ist im Umfangsbereich der Laufschaufel 1.1 fixiert. Das Stützelement 30.2 ist sowohl an der Laufschaufel 1.1 als auch am Dichtelement 30.1 fixiert. Dabei ist die Fixierung des Dichtelementes 30.1 derart durchgeführt, dass das Dichtelement 30.1 austauschbar ist.
Bei der Ausführungsform gemäß Detail B ist kein Stützelement vorgesehen. Hier ist das Dichtelement 30.1 direkt auf der Schaufel 1.1 angebracht.
In den 4 und 5 sind die Druckseite DS und die Saugseite SS angedeutet. In der Darstellung gemäß 3 strömt das Wasser von oben nach unten. Das Dichtelement 30.1 ist der Strömung entgegengerichtet. Dabei presst die Druckdifferenz zwischen der Druckseite und der Saugseite das Dichtelement 30.1 gegen die Gehäusewandung 3 an.
Die Rotation des Laufrades 1 erzeugt bezüglich des Dichtelementes 30.1 eine Schleppströmung von der Saugseite zur Druckseite hin. Das Dichtelement wird dabei von der Gehäusewandung 3 abgehoben, ähnlich wie bei einem hydrodynamischen Gleitlager. Es entsteht somit ein minimaler Spalt zwischen Gehäusewandung 3 und Dichtelement 30.1. Dieser Spalt ist von Wasser erfüllt. Das Wasser hat gewissermaßen eine „Schmierwirkung". Damit wird ein Verschleiß des Dichtelementes 30.1 vermieden.
Bei der Darstellung gemäß 5 sind die Geschwindigkeitsvektoren im Relativsystem zwischen Wandung 3 und Dichteinheit 30 dargestellt.
Gemäß einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann – zusätzlich zu der mechanischen Dichteinheit 30, oder für sich alleine – eine hydraulische Dichtung vorgesehen werden. Dabei wird zwischen der Innenfläche der Wandung 3 und dem Außenumfang der Laufschaufeln oder der Leitschaufeln ein Wasservorhang erzeugt. Zu diesem Zwecke werden entweder die Wandung 3 oder die Schaufeln mit Bohrungen versehen, die einen Druckwasseranschluss aufweisen, und deren Mündungen jeweils gegen das andere Element – Wandung oder Schaufel – gerichtet sind, so dass der Spalt zwischen diesen beiden mehr oder minder abgedichtet wird und keine oder nur eine geringe Spaltströmung erfolgen kann.

Claims

Axiale Wasserturbine; 1.1 mit einem Laufrad (1), das eine Nabe sowie Laufschaufeln (1.1) aufweist; 1.2 mit einem Leitrad (4), das Leitschaufeln (4.1) aufweist; 1.3 mit einem das Laufrad (1) und das Leitrad (4) umgebenden Gehäuse (3); 1.4 das Laufrad ist mit einer Turbinenwelle drehfest verbunden; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: 1.5 es ist eine Dichteinheit (30) zum Absperren des Spaltes oder zum Verringern der Weite des Spaltes zwischen der Umfangskante wenigstens einiger der Schaufeln (1.1, 4.1) und dem Gehäuse (3) vorgesehen.
Axiale Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) eine mechanische Dichtung (30.1, 30.2) ist.
Axiale Wasserturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) ein Bestandteil der Schaufeln (1.1, 4.1) ist.
Axiale Wasserturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) ein Bestandteil des Gehäuses (3) ist.
Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (30.1) der Dichteinheit (30) am betreffenden Element – Gehäuse (3) oder Umfangsbereich der Schaufeln (1.1, 4.1)-anliegt.
Axiale Wasserturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen zum Anpressen des Dichtelementes (30.1) an die Gegenfläche vorgesehen sind.
Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) im Sinne einer Veränderung der Spaltweite verstellbar ist.
Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzielen einer hydraulischen Dichtung Maßnahmen getroffen sind, um den Spalt zwischen dem Umfangsbereich wenigstens einiger der Schaufeln (1.1, 4.1) und dem Gehäuse (3) durch einen Vorhang aus einem fließfähigen Medium abzusperren oder teilweise abzusperren.
Axiale Wasserturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Elemente Wand (3) oder Schaufel (1.1, 4.1) Bohrungen aufweist, die einen Druckmediumanschluss haben, und deren Mündungen jeweils gegen das andere Element gerichtet sind.
Axiale Wasserturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Medium Wasser ist.
Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kaplanturbine ist.