DE10325698B4 - Laufrad für eine Francisturbine - Google Patents

Abstract

Laufrad (1) für eine Francisturbine;
1.1 mit mehreren Laufschaufeln (2), die jeweils eine Eintrittskante (2.1) und eine Austrittskante (2.2) aufweisen;
1.2 mit einem Laufradkranz (1.2) und einem Laufradboden (1.1);
1.3 die Laufschaufeln (2) befinden sich zwischen Laufradkranz (1.2) und Laufradboden (1.1) und sind an diese angeschlossen;
1.4 die Eintrittskanten (2.1) der Laufschaufeln (2) sind in Draufsicht und/oder Seitenansicht gekrümmt;
1.5 die Krümmung weist wenigstens einen Wendepunkt W1, W2, W3 auf;
1.6 in Drehrichtung (3.1) gesehen befindet sich der Anschlusspunkt A der Eintrittskante (2.1) am Laufradkranz (1.2) an derselben Stelle, wie der Anschlusspunkt C der Eintrittskante (2.1) am Laufradboden (1.1), oder danach.

Description

• Die Erfindung betrifft das Gebiet der hydraulischen Maschinen, insbesondere der Wasserturbinen der Francis-Bauart.
• An solchen Turbinen werden zunehmend höhere Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und des Arbeitsbereiches gestellt. Wünschenswert ist ein variabler Einsatz hinsichtlich der Wasserdurchflussmenge vom extremen Teillastbetrieb bis hin zum Überlastbetrieb.
• Auch Kavitationsprobleme haben die Fachleute immer wieder beschäftigt. Dabei spielt die Schaufelgeometrie eine wichtige Rolle. Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, durch entsprechende Gestaltung der Strömungswege, insbesondere der Schaufeln, die Kavitationsgefahr zu verringern. Nur beispielshalber wird verwiesen auf WO 98/05863 A1.
• Die Patentschrift DE 466 300 C zeigt Laufradschaufeln eines Laufrads für schnellaufende äußere Radialturbinen mit gekrümmten Schaufeln.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laufrad für eine Francisturbine derart zu gestalten, dass ein hoher Wirkungsgrad in möglichst allen Lastbereichen erzielt wird, und dass die Kavitationsgefahr gegenüber bekannten Ausführungen von Laufrädern verringert wird.
• Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
• Demgemäß werden die einzelnen Schaufeln in einer ganz bestimmten Weise gestaltet. Die Eintrittskanten sind – in Draufsicht gesehen – gekrümmt. Dabei weist ihr Verlauf einen Wendepunkt auf, so dass zwei gekrümmte Abschnitte aufeinander folgen. Außerdem sind die Anschlusspunkte der Eintrittskante am Laufradkranz und am Laufradboden – in der Seitenansicht gesehen – in einer ganz bestimmten Weise einander zugeordnet. Der Anschlusspunkt der Eintrittskante am Laufradboden befindet sich nämlich – in Drehrichtung gesehen – an derselben Stelle, wie der Anschlusspunkt der Eintrittskante am Laufradkranz. Er kann aber auch davor liegen.
• Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
• 1 zeigt eine Francisturbine in einem Axialschnitt.
• 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Laufrad der Turbine gemäß 1 in vergrößertem Maßstab mit Blickrichtung senkrecht zur Drehachse der Turbine (Seitenansicht).
• 3 veranschaulicht wiederum in Seitenansicht, jedoch perspektivisch dargestellt, eine zweite Ausführungsform der Erfindung.
• 4 veranschaulicht in einer Ansicht analog jener gemäß 3 eine dritte Ausführungsform der Erfindung.
• 5 zeigt in perspektivischer Darstellung in einer Draufsicht eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
• 6 zeigt in einer Ansicht analog jener gemäß 5 eine fünfte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbinenschaufel.
• 7 zeigt ein erfindungsgemäßes Laufrad für eine Francisturbine.
• Die in 1 gezeigte Francisturbine ist wie folgt aufgebaut:
  Ein Laufrad 1 umfasst eine Mehrzahl von Laufschaufeln 2. Das Laufrad 1 ist um eine Drehachse 3 drehbar.
• Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 4 umgeben. Außerdem ist dem Laufrad 1 ein Kranz von Leitschaufeln 5 vorgeschaltet.
• Die Turbine weist ein Saugrohr 6 auf. Dieses umfasst einen Eintrittsdiffusor 6.1 mit einem sich hieran anschließenden Krümmer 6.2, und einem sich wiederum hieran anschließenden Saugkasten 6.3.
• 2 ist eine Ansicht senkrecht zur Drehachse 3 auf eine Laufschaufel 2, und zwar auf deren Eintrittskante 2.1 – hier verdickt dargestellt. Die Laufschaufel 2 befindet sich zwischen dem Laufradboden 1.1 und dem Laufradkranz 1.2. Sie ist im Bereich der genannten Eintrittskante 2.1 an den Laufradboden und an den Laufradkranz angeschlossen, d.h. mechanisch fest verbunden, entweder durch Anschweißen oder als einteilige Ausführung. Man beachte den Anschlusspunkt A der Eintrittskante 2.1 an den Laufradkranz 1.2, und den Anschlusspunkt C der Eintrittskante 2.1 an den Laufradboden 1.1. Die beiden Punkte A und C liegen in Richtung 3.1 des Umlaufs des Laufrades 1 an derselben Stelle. Verbindet man die beiden Punkte A und C durch eine Linie miteinander, so verläuft diese Linie parallel zur Drehachse 3.
• Gemäß der Erfindung könnte Anschlusspunkt C aber auch vor Anschlusspunkt A liegen, somit beim Umlauf in Richtung 3.1 dem Anschlusspunkt A vorauseilen.
• Außerdem erkennt man, dass die Eintrittskante gekrümmt ist. Im vorliegenden Falle weist sie zwei Wendepunkte auf.
• Die in 3 gezeigte zweite Ausführungsform ist recht ähnlich jener gemäß 2. Man erkennt wiederum den Laufradboden 1.1, den Laufradkranz 1.2 sowie eine dazwischen befindliche Schaufel 2. Die Eintrittskante 2.1 weist einen Wendepunkt auf. Die Austrittskante 2.2 hingegen verläuft gradlinig.
• Man erkennt wiederum den Anschlusspunkt A, an welchem die Schaufel 2 im Bereich ihrer Eintrittskante 2.1 an den Laufradkranz 1.2 angeschlossen ist, und den Anschlusspunkt C, an welchem sie an den Laufradboden 1.1 angeschlossen ist.
• Die durch die beiden Punkte A und C gelegte Linie – hier gestrichelt dargestellt – verläuft parallel oder annähernd parallel zur Drehachse 3.
• Die Ausführungsform gemäß 4 ist gleich jener gemäß 3. Jedoch verläuft die genannte Verbindungslinie zwischen den Anschlusspunkten A und C gegen die Drehachse 3 geneigt.
• Die beiden Ausführungsformen sind in den 5 und 6 in der Draufsicht dargestellt. Die Schaufelprofile 1.1.1 des Laufradbodens 1.1 sowie das Schaufelprofil 1.2.1 des Laufradkranzes sind ebenfalls gezeigt.
• In beiden Fällen beschreibt die Eintrittskante 2.1 eine Kurve mit einem Wendepunkt. Die Kurve ist annähernd S-förmig.
• Bei den 3 bis 6 sind auch die Anschlusspunkte der Austrittskante 2.2 an Laufradboden und Laufradkranz dargestellt. Die Schaufel 2 ist im Bereich der Austrittskante 2.2 an den Laufradboden 1.1 bei Punkt D angeschlossen, und an den Laufradkranz 1.2 bei Punkt B.
• Die Austrittskante kann einen gradlinigen oder gekrümmten Verlauf haben. Sie kann ähnlich oder gleich gestaltet sein, wie die Eintrittskante 2.1.
• Auch kann der eine Anschlusspunkt B dem anderen Anschlusspunkt D – in Umlaufrichtung gesehen – voreilen. Aber auch das Umgekehrte ist möglich, dass somit Anschlusspunkt D dem Anschlusspunkt B voreilt.

1

Laufrad

1.1

Laufradboden

1.1.1

Profil des Laufradbodens

1.2

Laufradkranz

1.2.1

Profil des Laufradkranzes

2

Laufschaufel

2.1

Eintrittskante

2.2

Austrittskante

3

Drehachse

3.1

Umlaufrichtung

4

Spiralgehäuse

5

Leitschaufeln

6

Saugrohr

6.1

Eintrittsdiffusor

6.2

Krümmer

6.3

Saugkasten

W1, W2, W3

Wendepunkte

A

Anschlusspunkt der Schaufel im Eintrittskantenbereich an den Laufradkranz

B

Anschlusspunkt der Austrittskante an den Laufradkranz

C

Anschlusspunkt der Eintrittskante an den Laufradboden

D

Anschlusspunkt der Austrittskante an den Laufradboden

Claims (4)

1. Laufrad (1) für eine Francisturbine; 1.1 mit mehreren Laufschaufeln (2), die jeweils eine Eintrittskante (2.1) und eine Austrittskante (2.2) aufweisen; 1.2 mit einem Laufradkranz (1.2) und einem Laufradboden (1.1); 1.3 die Laufschaufeln (2) befinden sich zwischen Laufradkranz (1.2) und Laufradboden (1.1) und sind an diese angeschlossen; 1.4 die Eintrittskanten (2.1) der Laufschaufeln (2) sind in Draufsicht und/oder Seitenansicht gekrümmt; 1.5 die Krümmung weist wenigstens einen Wendepunkt W1, W2, W3 auf; 1.6 in Drehrichtung (3.1) gesehen befindet sich der Anschlusspunkt A der Eintrittskante (2.1) am Laufradkranz (1.2) an derselben Stelle, wie der Anschlusspunkt C der Eintrittskante (2.1) am Laufradboden (1.1), oder danach.
2. Laufrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: 2.1 in Drehrichtung gesehen befindet sich der Anschlusspunkt B der Austrittskante (2.2) am Laufradkranz (1.2) an derselben Stelle wie der Anschlusspunkt D am Laufradboden (1.1).
3. Laufrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: 3.1 in Drehrichtung gesehen befindet sich der Anschlusspunkt B der Austrittskante (2.2) am Laufradkranz (1.2) vor dem Anschlusspunkt D am Laufradboden (1.1).
4. Laufrad nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch das folgende Merkmal: 4.1 in Drehrichtung gesehen befindet sich der Anschlusspunkt B der Austrittskante (2.2) am Laufradkranz (1.2) hinter dem Anschlusspunkt D am Laufradboden (1.1).