DE1503295B2 - Verfahren zum betrieb einer wasserturbine mit hinter der turbine in einem saugrohr bzw. saugkruemmer gefuehrten abstrom und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

mindest im Eintrittsteil koaxial zur Turbinenachse bzw. zum äußeren Saugrohr angeordnet.

Bei einer drallfreien Abströmung etwa im Betriebspunkt des besten Wirkungsgrades der Turbine dienen 5 das äußere Hauptsaugrohr und — im Falle eines einzigen inneren Saugrohres — das innere Saugrohr gemeinsam zum Abströmen dieses drallfreien Wassers, d. h., das innere Saugrohr führt einen seinem Querschnitt entsprechenden Teil der aus dem Laufrad

einen zusätzlichen Energieaufwand, besonders wenn die Turbine mit Gegendruck arbeitet und die Luft mit einem Kompressor eingeführt werden muß. Außerdem beeinträchtigt eine starke Luftzufuhr die Saugwirkung des Saugrohres und damit die Energierückgewinnung im Saugrohr.

Ein weiterer bekannter Vorschlag geht dahin, das
Totwasser durch Einbau von Rippen zu beseitigen.
Dies ist aber gerade im Über- und Teillastgebiet, d. h.
bei Strömung mit Drallkomponenten, mit sehr großen io kommenden Wassermenge in den Unterwasserbehäl-Verlusten verbunden. ter weiter.

Die Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht un- In den Betriebszuständen, in denen hinter dem

ter Vermeidung der Nachteile der bekannten Vor- Laufrad drallbehaftete Strömungen entstehen und schlage einen neuen Weg aufzuzeigen und ein Ver- folglich ein Totwassergebiet als Nebengebiet mit befahren anzugeben, wie die Strömung in einem Saug- 15 trächtlichem Unterdruck ausgebildet wird, wird Wasrohr oder Saugkrümmer günstig beeinflußt werden ser aus dem Unterwasserbehälter durch das zusätzkann, um bei den stark unterschiedlichen Betriebszu- liehe innere Saugrohr in das Nebengebiet angesaugt, ständen, insbesondere im Teil- oder Überlastbereich, Nach Umströmung der oberen Rohröffnung wird dieeinen ruhigen Gang der Maschine mit möglichst ge- ses Wasser als gesunde und zur Hauptströmung parringen Erschütterungen und Geräuschbildungen zu er- 20 allele und gleichgerichtete Strömung von letzterer zielen. Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht durch den Ringraum zwischen Hauptsaugrohr und darin, zur Verhinderung eines gegenüber der Haupt- innerem Rohr in den Unterwasserbehälter zurückgeströmung instabilen Nebengebietes in den Kern des führt.

Abstromes eine stabile, zur Hauptströmung parallele In der Regel wird ein einziges zusätzliches inneres

Strömung aus einem Raum zuzuführen, in welchem 25 Saugrohr für die normalerweise vorliegenden Verder Druck gleich oder geringfügig niedriger ist als im hältnisse ausreichend sein. Dieses wird zweckmä-Unterwasser. ßigerweise für einen mittleren Zustand, d. h. für einen

Gemäß der Erfindung wird also die labile Rück- mittleren Durchmesser der Nebenströmung ausgelegt. strömung im Nebengebiet durch eine gesunde stabile Bei nur kleinem Drall kann die drallbehaftete Strö-Strömung ersetzt und dadurch die erwähnten stören- 30 rnung auch noch einen ringförmigen Querschnittsanden und schädlichen Erscheinungen entscheidend teil des inneren Saugrohres einnehmen. Es bildet sich vermindert sowie die Laufruhe der Turbine ohne also auch am Umfang des inneren Rohres noch eine Einbuße an Wirkungsgrad wesentlich verbessert, ringförmige Zone drallbehafteter Strömung aus und denn die zur Erzeugung einer solchen Strömung not- erst innerhalb dieser einen Totwasserzone als Nebenwendige Energie ist in jedem Falle nicht größer als 35 gebiet. Letztere ist in diesem Falle jedoch ebenfalls die Energie, die durch die Rückströmung im Neben- klein und wegen ihrer geringen Massen nicht besongebiet verbraucht wird. Es handelt sich dabei nur um
eine andere Verwendung eines Teiles des Energieverlustes im Saugrohr der Turbine.

Als Mittel zur Durchführung des Verfahrens kann 40
in einer sehr zweckmäßigen Weise das Nebengebiet
mit einer Stelle höheren Druckes, vorzugsweise mit
einer weiter stromabwärts liegenden Stelle des Saugrohres bzw. Saugkrümmers oder mit dem Unterwasser mittels mindestens einer in den mit dem Laufrad 45 tritt und um etwa 180° umgelenkt wird. Sie setzt das koaxialen Kern des Saugrohres führenden besonde- Totwasser außerhalb des inneren Rohres in der Abren Rohrleitung verbunden werden. Strömrichtung in Bewegung und stabilisiert es damit.

Auf Grund des relativ tiefen Unterdruckes im Ne- Da durch die dem Laufrad zu gelegene Öffnung

bengebiet, der stets tiefer als der Unterdruck in der eines inneren Rohres Strömungen in beiden Richtundrallbehafteten Hauptströmung an der Wand des 50 gen möglich sind, ist in weiterer Ausbildung der Er-Saugrohres ist, und auf den ja die Instabilität dieses findung zur Erzielung einer Düsenwirkung in beiden Nebengebietes zurückzuführen ist, ist es möglich, Richtungen die Kante einer solchen Öffnung nach inz. B. Wasser aus dem Unterwasserbehälter zu benut- nen wulstförmig verdickt. Durch diese düsenförmige zen, das durch diese besondere Rohrleitung wie in Ausbildung erfährt die Strömung an dieser Stelle, einem Pumpensaugrohr in das Nebengebiet angesaugt 55 gleichgültig in welcher Richtung sie fließt, jeweils wird. Dieses angesaugte Wasser stellt eine gesunde eine geringe Beschleunigung, wodurch instabile Abstabile zur Hauptströmung parallele Strömung dar,
durch welche die labile Strömung bzw. das labile Totwasser beseitigt, d. h. ersetzt wird. Die derart angesaugte Wassermenge wird durch das Saugrohr in den 60
Unterwasserbehälter zurückbefördert.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beginnt im Eintrittsteil des Saugrohres bzw. Saugkrümmers als besondere Rohrleitung mindestens

ein weiteres inneres Saugrohr, das im Anfahrbereich 65 führungsbeispielen dargestellt. Darin zeigt
im wesentlichen parallel zu und im Abstand von der F i g. 1 im Schnitt eine Francis-Turbine mit einem

Wandung des äußeren Rohres angeordnet ist. Dieses Saugkrümmer und in diesem angeordneten zweiten bzw. diese inneren Saugrohre sind vorzugsweise zu- Saugrohr,

ders störend oder schädlich. Eine stabile Rückströmung bildet sich in diesem Falle nicht aus und ist auch nicht erforderlich.

Ist dagegen bei sehr stark drallbehafteter Strömung der Durchmesser der Totwasserzone größer als das innere Rohr, so entsteht auf jeden Fall durch den Unterdruck innerhalb des inneren Rohres eine stabile Rückströmung, die an der oberen Rohröffnung aus-

lösungen der Strömung vermieden werden. Außerdem trägt diese Ausführung zur Verminderung der Geräuschbildung beim Auftreten von Kavitation bei.

Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung können sich die Wandungen eines inneren Rohres bis zu einem Winkel von +10° gegenüber der Mittelachse kegelig erweitern bzw. verengen.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen in zwei Aus-

F i g. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1 und

F i g. 3 im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel mit einem" zweiten Saugkrümmer, der den äußeren Saugkrümmer durchdringt.

In dem in F i g. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel schließt sich an das Laufrad 1 einer Francis-Turbine ein als Saugkrümmer ausgebildetes äußeres Saugrohr 2 an, das zum nicht dargestellten Unterwasserbehälter führt. In diesem Hauptsaugrohr 2 ist ein zweites inneres Saugrohr 3 angeordnet, das im Eintrittsteil 4 des äußeren Hauptsaugrohres 2 beginnt und in seinem vorzugsweise mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildeten Anfangsbereich koaxial zu diesem bzw. zur Turbinenachse 5 verläuft. Es bildet somit in diesem Anfangsbereich einen Ringraum zwischen sich und dein äußeren Saugrohr 2. In dem dargestellten Beispiel folgt das innere Saugrohr 3 nicht dem gesamten Verlauf des äußeren Saugrohres 2 koaxial, sondern legt sich hinter der Krümmung an die Wand 6 des äußeren Saugrohres 2 an, wobei es in einen mehr rechteckigen Querschnitt übergeht (F i g. 2) und endet im äußeren Saugrohr 2 bei 7 in einem Bereich dieses Saugrohres, in dem bereits ein Druck herrscht, der höchstens geringfügig niedriger ist als der im Unterwasserbehälter. Die Kante 8 der oberen Öffnungen des inneren Rohres 3 ist wulstförmig nach innen verdickt, so daß an dieser Öffnung in den durch den Doppelpfeil 9 dargestellten beiden möglichen Strömungsrichtungen jeweils eine düsenartige Wirkung eintritt. Mit 10 ist eine freie Begrenzung zwischen einer bestimmten drallbehafteten Strömung 11 und einem Nebengebiet 12 mit beträchtlichem Unterdruck dargestellt. Durch diesen Unterdruck wird Wasser durch das innere Rohr 3 angesaugt, das die Kante 8 der oberen öffnung des Rohres 3 umströmt und in dem Ringraum zwischen äußerem und innerem Rohr zum Unterwasser zurückfließt. Dadurch wird in der bereits beschriebenen Weise eine gesunde stabile Strömung in dem an sich labilen Strömungsbereich gebildet. Die Wandungen des inneren Rohres 3 sind im Anfangsbereich geringfügig gegenüber der Mittelachse 5 geneigt, so daß sie sich in dem gezeigten Beispiel zum Unterwasser zu erweitern.

F i g. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, in welchem das innere Saugrohr 13 durch die Wandung des äußeren Saugkrümmers 14 hindurchgeführt ist. Der außerhalb des Saugkrümmers 14 liegende Teil 15 des inneren Saugrohres 13 muß in diesem Falle bis in den Unterwasserbehälter führen. Im übrigen sind die der Ausführung gemäß F i g. 1 gleichen Teile wiederum mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Nebengebiet mit dem Unterwasser jeweils über ein besonderes im Hauptsaugrohr angeordnetes Rohr verbunden. Es besteht jedoch nach der Erfindung auch die Möglichkeit, das Unterwasser mit dem Nebengebiet über eine Leitung zu verbinden, die in geeigneter Weise seitlich in die Turbinenwelle führt, die bis zu dieser Stelle von der Nabe her hohl ist, so daß beim Vorliegen drallbehafteter Strömung das durch den hohen Unterdruck im Nebengebiet angesaugte Unterwasser aus der Nabe des Laufrades in das in diesem Falle einzige Saugrohr austritt und somit unmittelbar in der Hauptströmungsrichtung in dieses eintritt und dort die labile Strömung im Kern der drallbehafteten Strömung durch eine stabile Strö mung ersetzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betrieb einer Wasserturbine mit hinter der Turbine in einem Saugrohr oder Saugkrümmer geführtem Abstrom zum Unterwasser, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verhinderung eines gegenüber der Hauptströmung instabilen Nebengebietes in den Kern des Abstromes eine stabile, zur Hauptströmung parallele Strömung aus einem Raum zugeführt wird, in welchem der Druck gleich oder geringfügig niedriger ist als im Unterwasser.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Nebengebiet mit einer Stelle höheren Druckes, vorzugsweise mit einer weiter stromabwärts liegenden Stelle des Saugrohres bzw. Saugkrümmers oder mit dem Unterwasser mittels mindestens einer in den mit dem Laufrad koaxialen Kern des Saugrohres führenden besonderen Rohrleitung verbunden ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Eintrittsteil des Saugrohres bzw. Saugkrümmers als besondere Rohrleitung mindestens ein weiteres inneres Saugrohr beginnt, das im Anfangsbereich im wesentlichen parallel zu und im Abstand von der Wandung des äußeren Rohres angeordnet ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die inneren Rohre zumindest im Eintrittsteil koaxial zur Turbinenachse bzw. zum äußeren Saugrohr angeordnet sind.

5. Einrichtung nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Düsenwirkung in beiden Richtungen die dem Laufradaustritt gegenüberliegende Kante bzw. Kanten des bzw. der inneren Rohre wulstförmig verdickt sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandungen des bzw. der inneren Rohre sich bis zu einem Winkel von + 10° gegenüber der Mittelachse kegelig erweitern bzw. verengen.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

6, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die inneren Rohre einen kreisförmigen Querschnitt haben.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis

7, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die inneren Rohre an einer Stelle oberhalb des Unterwasserspiegels durch die Wandung des äußeren Rohres hindurchgeführt sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die inneren Rohre in ihrer Gesamtheit innerhalb des äußeren Rohres verlaufen.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die inneren Rohre sich bis zum Unterwasserspiegel erstrecken.

11. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. zumindest eines der inneren Rohre an einer Stelle im äußeren Rohr oberhalb des Unterwasserspiegels enden.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wasserturbine mit hinter der Turbine in einem Saugrohr bzw. Saugkrümmer geführtem Abstrom und eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die Struktur und der Verlauf der Strömung im Saugrohr bzw. Saugkrümmer einer Wasserturbine werden im wesentlichen durch die Bauart des Laufrades und durch dessen Beaufschlagung bestimmt; sie

ίο hängt insbesondere von der Verteilung der hydraulischen Belastung über der Laufschaufeloberfläche ab. Die Turbinen werden so ausgelegt, daß die Normallast bei dem Betriebspunkt liegt, bei welchem der beste Wirkungsgrad erhalten wird. Es wird angestrebt und in der Praxis meist erreicht, daß das Wasser bei diesem Betriebspunkt zumindest nahezu drallfrei abströmt. Hierbei ist es relativ einfach, ein Saugrohr bzw. einen Saugkrümmer so zu konstruieren, daß die drallfreie Strömung dessen Wänden folgt und dabei den gesamten Rohrquerschnitt ausfüllt.

Anders liegen jedoch die Verhältnisse im Teillastoder im Überlastbereich der Turbine. In diesen Lastbereichen ist die Abströmung vom Laufrad wesentlich mehr mit Drall behaftet. Diese drallbehaftete

as Hauptströmung nimmt dabei nur den äußeren ringförmigen Teil des Saugrohrquerschnitts ein, während sich innerhalb dieser ringförmigen Hauptströmung ein von den Massen der Hauptströmung abgetrenntes Nebengebiet der Strömung, das auch Kern genannt wird, ausbildet. Die Trennschicht zwischen der Hauptströmung und diesem Nebengebiet ist teils auf Grund einer ungleichmäßigen Verteilung der Belastung über die Laufschaufeln, teils infolge des Geschwindigkeitssprunges quer zur Trennschicht stark wirbelbehaftet und bildet eine sogenannte freie Begrenzung zwischen diesen beiden Strömungsbereichen. In dem Nebengebiet oder Kern der Strömung bildet sich eine ebenfalls mehr oder weniger rotationsbehaftete Rückströmung aus, d. h. in diesem Gebiet zirkuliert die Strömung als energieverbrauchendes Totwasser. Nun weist darüberhinaus die Rückströmung im Nebengebiet und die wirbelbehaftete Trennschicht meist nur eine schwache Stabilität auf. Schon geringe örtliche Störungen im umgebenden Geschwindigkeitsfeld der Hauptströmung verursachen örtliche Änderungen der Form des Nebengebietes und der Trennschicht und damit der freien Wirbel, die dadurch örtlich aus der Rotationssymmetrie abweichen. Die Folge hiervon sind wiederum örtlich rotierende Störungen des Geschwindigkeits- und Druckfeldes der anliegenden drallbehafteten Hauptströmung, die örtlich stoßartige Druckschwankungen verursachen, durch welche das Saugrohr bzw. der Saugkrümmer sehr stark erschüttert und im ungünstigen Falle sogar zerstört werden kann. Die außerdem hierdurch erzeugten Geräusche können insbesondere bei Anwesenheit von Luft- und Dampfkavernen im Wasser sehr laut und unangenehm sein.

Es ist seit langem bekannt, zur Vermeidung und Dämpfung dieser störenden und schädlichen Erscheinungen in den Totwasserkern der Strömung hinter dem Laufrad Luft als dämpfendes Mittel einzuführen. Die richtige Verteilung der Luft sowie auch die richtige Bemessung des Zufuhrvolumens bereitet jedoch Schwierigkeiten, zumal bei unterschiedlichen Betriebszuständen und auch an unterschiedlichen Stellen verschieden große Luftmengen erforderlich sind. Die Zuführung von Luft bedeutet außerdem