DE1503278C - Einrichtung zur Regelung einer zentnpe tal durchströmten Überdruck Wasserturbine - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Regelung von zentripetal durchströmten Überdruck-Wasserturbinen, die im .Druckhöhenbereich von 50 bis 150 m eingesetzt werden.

Bekannte, für diesen Anwendungsbereich verwendete Radialturbinen mit Axialauslauf besitzen einen niedrigen Kavitationswert und arbeiten bei optimaler Belastung mit hohem Wirkungsgrad; bei Teillast oder bei Druckhöhenschwankungen fällt jedoch der Wirkungsgrad stark ab und es treten starke Pulsationen im Saugrohr auf. . · ■ .

Bei Turbinen mit Drehschaufeln sind die Pulsationen im Saugrohr geringer und der Wirkungsgrad bei Teillast und bei Druckhöhenschwankungen größer; sie besitzen jedoch einen hohen Kavitationswert.

Zur. Überwindung dieser Nachteile sind Wasserturbinen mit Doppelregelung bekannt, bei der eine erste Regelung durch die Verstellung der Leitschaufeln stattfindet und eine zweite Regelungsmöglichkeit durch die axiale Verschiebung eines Strömungskörpers gegeben ist, mit dessen Verschiebung der Austrittsquerschnitt geändert werden kann. Bei einer solchen Ausbildung ist vor allem nachteilig, daß das strömende Medium beim Austritt aus den Laufschaufeln auf eine plötzliche Verengung der Strömungswege trifft, und zwar dazu noch in einer Zone höherer Strömungsgeschwindigkeit. Dies führt zu hohen Strömungsverlusten und damit zu einem schlechten Gesamtwirkungsgrad der Turbine.

Die vorstehend beschriebenen Nachteile der Regelung mittels Veränderung der Durchtrittsquerschnitte sind vermieden bei der Regelung mittels des sogenannten Verstellbodens. Hierbei umgibt ein spiraliges Gehäuse die ganze Turbine ringförmig, wobei sich in Strömungsrichtung gesehen hieran der Leitschaufelkranz und danach der Laufschaufelkranz anschließen. Vom Laufrad aus strömt das Medium in den axialen Auslauf. Sowohl im Bereich der Leitschaufeln als auch im Bereich der Laufschaufeln sind die Strömungswege durch eine verschiebliche Wand, den Verstellboden, begrenzt, mit der die Durchtrittsquerschnitte geändert werden können, ohne daß Totwassergebiete auftreten. Die vorliegende Erfindung geht von einer solchen Ausbildung aus.

Zur Ermöglichung einer doppelten Regelbarkeit einer zentripetal durchströmten Überdruck-Wasserturbine wird hierbei erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß in dem ringförmigen Einsatz jeweils im Bereich der Leitschaufeln Scheiben drehbar gelagert sind, die schlitzförmige Mittelöffnungen aufweisen und die Leitschaufeln voll umschließen, so daß diese gedreht werden können und somit eine zweite Regelungsmöglichkeit geschaffen ist.

Nach einer weiteren Ausbildung ist der Leitradeinsatz auf der Außenseite als zylindrischer Schild gestaltet, der in der unteren Verschiebestellung den Zulauf vollständig absperrt.

Die Verschiebeeinrichtung für den verschieblichen Leitradeinsatz wird zweckmäßigerweise als ein mit dem feststehenden Leitschaufelkranz verbundener ortsfester Kolben ausgeführt, dessen hydraulisch beweglicher Zylinder mit dem verschieblichun Leitradeinsatz durch Schiebestangen verbunden ist.

Es kann weiterhin aus Gründen der Raumaufteilung zweckmäßig sein, die Drehscheiben der Leitschaufcln abwechselnd im oberen beweglichen Kranz und im unteren unbeweglichen Kranz des Leitapparates vorzusehen, wobei die mit den unteren Drehscheiben zusammenwirkenden drehbaren Leitschaufeln sich in Turbinenachsrichtung verschieben können, während die benachbarten unverschieblichen Drehschaufeln Servomotore tragen, welche die Drehung sämtlicher Schaufeln gewährleisten. Bei dieser Ausbildung ist es weiterhin zweckmäßig, zur kinematischen Kopplung der verschieblichen Schaufeln mit den unverschieblichen Schaufeln die oberen Zapfen der verschieblichen Schaufeln in der Art einer Keilwelle mit Gleitfedern auszubilden, mit deren Hilfe diese Schaufeln gedreht werden.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Turbine weist einen hohen Wirkungsgrad auch bei Teillast und bei Druckhöhenschwankungen auf, wobei trotz Beibehaltung guter Kavitationswerte in allen Betriebszuständen die Pulsationen vermindert sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen. Es zeigt

ao Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Radialturbine mit Axialauslauf,

Fig. 2-die Ausbildung einer solchen Turbine mit abwechselnd axial verschieblichen und in Axialrichtung unverschieblichen drehbaren Leitschaufeln.

as ■ Die gezeigte Wasserturbine besitzt/ ein Laufrad 1 mit nicht verstellbarer Nabe 2, die an der Hohlwelle 3 befestigt ist. An der Nabe 2 sind die nicht drehbaren Laufschaufeln 4 des Laufrades 1 befestigt, wobei ein in Turbinenachsenrichtung'verschieblicher Verstellboden 5 vorgesehen ist, durch dessen Schlitze 6 die Schaufeln 4 hindurchtreten. Der Ver-• stellboden 5 wird mit Hilfe eines Servomotors 7 ver-. stellt.

Die Turbine besitzt weiterhin einen Ständer 8, eine Spirale 9 und einen Leitapparat 10 mit einem unbeweglichen unteren Kranz 11 und einem ebenfalls unbeweglichen oberen Kranz 12. Der Leitapparat 10 enthält im oberen Teil noch einen weiteren, längs der Turbinenachse verschieblichen oberen Kranz 13, der von dem Servomotor 14 angetrieben wird. Dieser verstellbare Kranz 13 besteht auf der Außenseite aus einem zylindrischen Schild 15, das als Absperrorgan dient. Der Servomotor 14 ist als feststehender Kolben 16 ausgeführt, der auf dem oberen unbeweglichen Kranz 12 des Leitappärates 10 sitzt. Der Kolben 16 befindet sich in einem mittels Drucköl verstellbaren Zylinder 17, wobei das öl in die Räume 18 und 19 geleitet wird. Der Zylinder ist durch die Zugstangen 20 mit dem verstellbaren Kranz 13 kinematisch verbunden.

Die Drchiicliaufeln 21 des Leitappärates 10 sind durch die Drehscheiben 22 geführt, die bei der in F i g. 1 gezeigten Ausbildung im oberen verstellbaren Kranz 13 angeordnet sind. Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausbildung sind Drehscheiben 22 abwechselnd im oberen verstellbaren Kranz 13 und im unteren feststehenden Kranz 11 des Leitapparates 10 vorgesehen.

Bei dieser in F i g. 2 gezeigten Ausbildung kann der Zulauf durch vollständige Verdrehung der Schaufeln 21 bis zu deren Überdeckung abgesperrt wer-

. den. Zu diesem Zwecke sind die durch die Schlitze der unteren Scheiben 22 geführten Drehschaufeln 21 in Turbinenachsenrichtung verschieblich ausgeführt.

Die jeweils benachbarten unverschieblichen Schaufeln 21 werden durch Servomotoren 23 angetrieben, so daß eine gegenseitige Überdeckung erreicht werden kann. Der Drehantrieb der verschieblichen

Claims (5)

Schaufeln 21 erfolgt über die in der Art einer Keilwelle ausgebildeten Zapfen 25, in die die Gleitfedern 26 eingreifen. Bei dieser Ausbildung dient der zylindrische Schild nicht als Absperrorgan und deshalb braucht seine Höhe nur gleich der größten Höhendifferenz des Leitapparates 10 zu, sein, die 'beim Regeln auftreten kann. . In der in Fig. 1 gezeigten Ausbildung, wo der Leitapparat 10 durch den zylindrischen Schild 15 abgesperrt werden soll, muß die Schildhöhe gleich der größten Höhe des Leitapparates 10 sein. Die Doppelregelung der erfindungsgemäßen Wasserturbine wird erreicht durch gleichzeitiges Ändern der Höhe fe0 und der öffnung a0 des Leitapparates 10 und des Laufrades 1. Die Servomotore 7,14 und 23 werden zu diesem Zweck gleichzeitig in der Weise gesteuert, daß jeweils in Abhängigkeit von Drückhöhe und Durchsatz der optimale Betriebszustand eingestellt wird. . Zu bemerken ist noch, daß die erfindungsgemäße Wasserturbine auch umgekehrt als Turbinenpumpe eingesetzt werden kann. Ihr Aufbau gewährleistet auch in'diesem Betrieb einen maximalen Wirkungsgrad. Bei der Umstellung der Maschine vom Turbinenbetrieb auf Pumpenbetrieb dient der Leitapparat als Geraderichtapparat, wozu die Schaufeln um 180° zu drehen sind. Die erfindungsgemäße Wasserturbine mit Doppelregeiung gewährleistet einen maximalen Wirkungsgrad auch bei großen Druckhöhenschwankungen und Belastungsänderungen. Patenansprüche:

1. Einrichtung zur Regelung einer zentripetal durchströmten Überdruck-Wasserturbine mit •einem der Laufradnabe aufgesetzten und in Achsrichtung verschieblichen, mit dem Laufrad umlaufenden Verstellboden, der Schlitze aufweist, durch die die Laufschaufeln hindurchtreten, und einem weiteren in Achsrichtung verschieblichen ringförmigen Einsatz im Bereich der Leitschaufeln, dadurch gekennzeichnet, daß in dem ringförmigen Einsatz (13) jeweils im Bereich der Leitschaufeln (21) Scheiben (22) drehbar gelagert sind, die schlitzförmige Mittelöffnungen aufweisen und die Leitschaufeln (21) umschließen. .

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitradeinsatz (13) auf der Zulaufseite als zylindrischer Schild (15) gestaltet ist, der in der unteren Verschiebestellung den Zulauf absperrt.

3. Einrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß" die Verschiebeeinrichtung für den. verschieblichen Leitradeinsatz (13) einen mit dem feststehenden Leitschaufelkranz

(12) verbundenen ortsfesten Kolben (16) aufweist, dessen hydraulisch beweglicher Zylinder (17) mit dem verschieblichen Leitradeinsatz (13) durch Schiebestangen (20) verbunden ist.

4. Einrichtung nach den Ansprüchen L und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehscheiben (22) abwechselnd im oberen beweglichen Kranz

(13) und im unteren unbeweglichen Kranz (11) des Leitapparates (10) befestigt sind, "wobei die durch die Schlitze der unteren Drehscheiben durchgeführten drehbaren .Leitschaufeln sich in Turbinenachsenrichtung verschieben können, während die benachbarten unverschieblichen drehbaren Leitschaufeln Servomotore tragen, welche die Schaufeln drehen und bis zur gegenseitigen Überdeckung bringen können.

5. Einrichtung nach Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Zapfen (25) der verschieblichen drehbaren Leitschaufeln Gleitfedern (26) besitzen, mit deren Hilfe die Schaufeln gedreht werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen