DE19741992A1

DE19741992A1 - Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine

Info

Publication number: DE19741992A1
Application number: DE19741992A
Authority: DE
Inventors: Herbert Weismann; Ronald Winkler
Original assignee: Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-09-24
Filing date: 1997-09-24
Publication date: 1999-03-25
Also published as: WO1999015789A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für inkompressible aber auch kompressible Medien, insbesondere eine Wasserturbine oder Pumpe, bestehend aus einem Laufrad, einem Gehäuse, welches das Leitrad umschließt versehen mit entsprechenden Zu- und Abflüssen. Ferner einen Leitapparat, der zahlreiche Schaufeln aufweist, die in einem Kanal angeordnet sind und der dem Laufrad oder einem weiteren Leitrad vor- oder nachgeschaltet ist. Als Beispiel wird auf US-A-4 496 282 verwiesen.

Die wichtigste Anforderung, die an solche Maschinen heutzutage gestellt wird, ist ein möglichst hoher Wirkungsgrad. Dabei wurden im Laufe der Zeit sämtliche denkbaren Teilaspekte untersucht, so daß moderne Strömungsmaschinen für imkompressible Medien einen Verlustanteil in der Größenordnung von bis zu 10% besitzen. Steigerungen des Wirkungsgrades in der Größenordnung eines Zehntel Prozent gelten bereits als viel.

Die in Betracht kommenden Maßnahmen zur Wirkungsgradsteigerung sind zahlreich. Wegen sich überlagernder Einflüsse (Interferenzen) ist es nicht einfach, zu ermitteln, welche Wirkungsgradsteigerung eine bestimmte Maßnahme im konkreten Falle erbringt. Bekannte Maßnahmen sind beispielsweise die Verringerung der Rauhigkeit der benetzten Flächen oder die Verringerung des Widerstandsbeiwertes durch entsprechende Gestaltung und Anordnung der umströmten bzw. überströmten Geometrien. Eine weitere Maßnahme ist aus DE 42 20 255 C1 bekannt geworden. Demgemäß werden Leitrad- und Laufradöffnungen so lange verändert, bis ein Leistungsmaximum und damit ein Maximum des Wirkungsgrades ermittelt wird.

Alle diese Maßnahmen sind wirkungsvoll. Die Erfinder haben sich jedoch die Aufgabe gestellt, den Wirkungsgrad noch weiterhin zu steigern, und zwar mit möglichst geringem Aufwand.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Demgemäß haben sich die Bemühungen der Erfinder auf die Wirkung der einzelnen Leitschaufeln konzentriert. Bisher erfolgte bei allen bekannten Maschinen (mit der Ausnahme von Anfahrvorgängen bei Pumpturbinen) die Leitschaufelverstellung nur kollektiv und synchronisiert über einen Regelring oder einen gemeinsamen Positionssollwert für die einzelnen Servomotoren. Auch wurde die Geometrie des Leitapparates (Kanalhöhe, Leitschaufelprofilierung, Regelgestänge. . .) symmetrisch und im Betrieb nicht variabel ausgeführt. Abweichend hiervon schlagen die Erfinder vor, Maßnahmen zu treffen, um ganz allgemein die durch die Leitschaufeln im Kanal geschaffenen Strömungsverhältnisse von Schaufel zu Schaufel veränderbar zu machen, so daß eine Optimierung des Geschwindigkeitsprofiles für verschiedene Betriebszustände der Maschine erfolgt. Hierdurch wird es möglich, die durch Fallhöhe und Durchsatz gegebenen energetischen Randbedingungen optimal auszunutzen und damit den Wirkungsgrad zu steigern. Steigerungen des Wirkungsgrad es von einigen Zehntel Prozent sind hiermit möglich.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen können auf verschiedene Weise realisiert werden. So können beispielsweise Leitschaufeln in ungleichen Winkelabständen auf dem Umfang des Leitapparates verteilt werden, anstelle einer gleichmäßigen Verteilung. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Leitschaufeln unterschiedlich zu profilieren oder die Profilgeometrie der Leitschaufeln variabel zu gestalten, so daß das Geschwindigkeitsprofil im Leitschaufelkanal während des Betriebes änderbar ist. Auch ist es denkbar, die Anordnung der Leitschaufeln, den Regelring (der dem Verstellen der Schaufeln dient) oder das Regelgestänge nicht radialsymmetrisch zu gestalten. Weiterhin kann die Kanalhöhe der Leitschaufeln unterschiedlich geformt werden. Außerdem können die einzelnen Leitschaufeln unabhängig voneinander verstellt werden, so daß unterschiedliche Öffnungswinkel von Schaufel zu Schaufel einstellbar ist. Schließlich kann die Leitschaufel kippbar variabel gestaltet werden.

Alle diese Maßnahmen sind geeignet, die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen. Allerdings müssen die Maßnahmen derart getroffen werden, daß sie für alle Betriebspunkte den bestmöglichen Wirkungsgrad erbringen. Die Erfinder haben daher die oben genannten Grundgedanken der Erfindung noch ausgebaut, indem sie diese Maßnahmen auch während des Betriebes vorsehen, so daß eine Optimierung des Wirkungsgrades bei mehreren Betriebspunkten (energetischen Randbedingungen) möglich ist.

Wie in der Aufgabenstellung oben erwähnt, wird ein optimiertes Geschwindigkeitsprofil im Zuströmkanal angestrebt. Gemäß einem weiteren Teil der Erfindung können in der Maschine (z. B. im Leitschaufelkanal, Turbinendeckel, Turbinenwelle, Lager etc.) Meßeinrichtungen zum Erfassen der an verschiedenen Stellen herrschenden Geschwindigkeiten, Drücke, Schwingungen und Kräfte vorgesehen werden, so daß in einem Regelkreis auf die erfindungsgemäßen Maßnahmen in der Turbine und in der Anlage Einfluß genommen werden kann.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt als Beispiel eine Francisturbine mit radialer Zuströmung in einem Axialschnitt. Man erkennt dabei im einzelnen das Laufrad 1 der Turbine mit dem Laufschaufeln 1.1. Dem Laufrad ist ein Leitapparat vorgeschaltet, umfassend starre Leitschaufeln 2.1 und verstellbare Leitschaufeln 2.2. Die Leitschaufeln befinden ich in einem Leitschaufelkanal 2.3. Ferner ist ein Regelring 4 vorgesehen. Der Regelring 4 dient zum Verstellen der Leitschaufeln 2.2. Im Gehäuse 5 befindet sich die Einlaufspirale 5.1.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die verstellbaren Leitschaufeln 2.2, beispielsweise radial durchströmt. Dabei haben bestimmte Paare von eineinander benachbarten Leitschaufeln einen anderen gegenseitigen Abstand, als andere benachbarte Paare. Die Leitschaufeln sind somit über den Umfang des Leitapparates in ungleich großen gegenseitigen Abständen angeordnet. Man beachte ferner, daß einzelnen Leitschaufeln auch feststehen können, d. h. im Betrieb gar nicht einstellbar sind.

Fig. 3 zeigt in einer Ansicht analog jener gemäß Fig. 2 einen Kranz von verstellbaren Leitschaufeln, die bezüglich ihrer Geometrie und Profilierung unterschiedlich gestaltet sind, und die auch während des Betriebes den Strömungsverhältnissen angepaßt werden können, zum Beispiel durch veränderbare Profilwölbung mittels variabler Nasen- und Endleisten. Auch hier ist es denkbar - wie bei allen anderen Ausführungsformen - einzelne Leitschaufeln nicht verstellbar zu machen.

Fig. 4 ist wiederum eine Ansicht analog jener gemäß der Fig. 2 und 3. Dabei handelt es sich um ein nicht-radialsymmetrisches Regelgestänge. Siehe die ungleich langen Lenker 2.3, 2.4 und 2.5, die bezüglich ihrer Länge von den übrigen Lenkern abweichen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 hat der Leitapparat eine ovale Form.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind zwar die verstellbaren Leitschaufeln auf einem Kreis angeordnet, nicht aber das Regelgestänge 2.6. Dieses weicht von der Kreisform ab; es ist im vorliegenden Falle oval.

Fig. 6a zeigt wiederum in Draufsicht die eine Hälfte eines Kranzes verstellbarer Leitschaufeln. Fig. 6b zeigt den Gegenstand von Fig. 6a in einer Seitenansicht. Wie man sieht, weisen die einzelnen Schaufeln 2.2 eine unterschiedliche Höhe auf, in Strömungsrichtung gesehen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind einzelne Leitschaufeln unabhängig von anderen Leitschaufeln verstellbar.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8 sind wenigstens einzelne Leitschaufeln derart kippbar, daß ihre Drehachsen gegenüber deren Normallagen jeweils einen Winkel einnehmen. Dabei sind die Leitschaufeln entweder fest oder im Betrieb einstellbar.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 sind die Drehzapfen 2.7 der einzelnen Leitschaufel 2.2 gegenüber dieser versetzt angeordnet.

Man beachte, daß alle diese Maßnahmen miteinander kombiniert werden können. So ist es beispielsweise möglich, ein von der Kreisform abweichend es Leitschaufelgestänge 2.6 vorzusehen, und gleichzeitig die Schaufeln kippbar zu machen, oder die Schaufelzapfen gegenüber der Leitschaufel zu versetzen usw.

Claims

1. Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine;

1.1 mit einem Laufrad, das eine Anzahl von Laufschaufeln aufweist;
1.2 mit einem Gehäuse, das das Laufrad umschließt;
1.3 mit einem Leitapparat, das dem Laufrad oder einem weiteren Leitapparat vor- oder nachgeschaltet ist, und das eine Anzahl bewegliche oder starre Leitschaufeln aufweist, die in einem Kanal angeordnet sind gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.4 es sind Mittel vorgesehen, um die durch die Leitschaufeln im Kanal geschaffenen Strömungsverhältnisse von Schaufel zu Schaufel veränderbar zu machen, um eine Optimierung des Geschwindigkeitsprofiles für verschiedene Betriebszustände der Maschine zu erzielen.

2. Strömungsmaschine, insbesondere Wasserturbine;

2.1 mit einem Laufrad, das eine Anzahl von Laufschaufeln aufweist;
2.2 mit einem Gehäuse, das das Laufrad umschließt und einen Zuströmkanal sowie einen Abströmkanal aufweist;
2.3 mit einem Leitapparat, der dem Zuströmkanal vorgeschaltet ist, und der eine Anzahl von verstellbaren Leitschaufeln aufweist;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
2.4 es sind Mittel vorgesehen, mit denen der durch die Leitschaufeln im Abströmkanal geschaffene Strömungszustand in dem Sinne beeinflußt werden kann, daß sich im Zuströmkanal über dessen Querschnitt gesehen ein wenigstens annähernd gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil ergibt.

3. Strömungsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln über den Umfang des Leitapparates in ungleich großen Abständen angeordnet sind (fest oder im Betrieb einstellbar).

4. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln bezüglich ihrer Geometrie und Profilierung unterschiedlich gestaltet sind, die auch während des Betriebes den Strömungsverhältnissen angepaßt werden kann (z. B. veränderbare Profilwölbung durch variable Nasen- und Endleisten).

5. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitapparat eine von der Kreisform abweichende Anordnung der Leitschaufeln und/oder des Regelringes und/oder ein nicht radialsymmetrisches Regelgestänge aufweist (fest oder im Betrieb).

6. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit variabler Kanalhöhe (fest oder im Betrieb einstellbar).

7. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln unabhängig voneinander einzeln verstellbar sind.

8. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitschaufeln derart kippbar sind, daß ihre Drehachsen gegenüber deren Normallagen jeweils einen Winkel einnimmt (fest oder im Betrieb).

9. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt der Leitschaufeln exzentrisch angeordnet ist (fest oder im Betrieb einstellbar).

10. Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß in der Maschine (z. B. im Leitschaufelkanal, Turbinenwelle, Lager etc.) Meßeinrichtungen zum Erfassen der an verschiedenen Stellen herrschenden physikalischen Größen vorgesehen werden, so daß in einem Regelkreis auf die erfindungsgemäßen Maßnahmen in der Turbine und in der Anlage Einfluß genommen werden kann.

11. Verstellmechanismen in einer Strömungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Geometrie des Leitapparates während des Betriebes variabel gestaltet werden kann.