DE19803390C1

DE19803390C1 - Laufrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Francisturbine

Info

Publication number: DE19803390C1
Application number: DE19803390A
Authority: DE
Inventors: Guenter Jacoby; Joerg-Peter Albrecht; Frank Dr Simon
Original assignee: Voith Hydro GmbH and Co KG
Current assignee: Voith Hydro Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1998-01-29
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2018-01-30
Also published as: CN1295650A; AU2618699A; WO1999039096A1; BR9907713A; CN1091220C

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für inkompressible aber auch kompressible Medien, insbesondere eine Wasserturbine, Pumpturbine 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 über einen weiten Betriebsbereich. Dabei wurden im Laufe der Zeit viele denkbaren Teilaspekte untersucht, so daß moderne Strömungsmaschinen für inkompressible Medien einen Verlustanteil von weniger als 5% besitzen. Steigerungen des Wirkungsgrades in der Größenordnung eines Zehntel Prozent gelten bereits als viel.

DE 197 41 992 A1 zeigt und beschreibt eine Wasserturbine, bei der Mittel vorgesehen sind, um die Optimierung des Geschwindigkeitsprofiles für verschiedene Betriebszustände der Maschine zu ermöglichen. Zu diesem Zwecke sind dort Mittel vorgesehen, mit denen der Strömungszustand im Abströmkanal beeinflußt werden kann. Hierdurch wird es möglich, die Maschine verschiedenen Betriebsbedingungen besser anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Maßnahmen anzugeben, mit denen es in noch stärkerem Maße möglich wird, mit einer Maschine ein breites Spektrum von Fallhöhen und/oder Durchsätzen optimal auszunutzen und damit den Wirkungsgrad bei unterschiedlichen Betriebsbedingungen zu maximieren.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfinder haben damit einen völlig neuen Weg beschritten. Demgemäß wird das Laufrad in zwei oder mehrere Teillaufräder unterteilt. Dabei werden die einzelnen Schaufeln durch eine bzw. mehrere Trennfugen geteilt, die vom Laufradboden zum Laufradkranz verlaufen. Die Trennfugen verlaufen im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung. Befindet sich die Trennfuge im Bereich der Einlaufkante der betreffenden Laufschaufel, so kann sie auch parallel zur Einlaufkante verlaufen. Befindet sie sich im Bereich der Auslaufkante, so wird sie im allgemeinen im wesentlichen parallel zur Auslaufkante verlaufen.

Aus DE 42 23 965 A1 ist zwar ein Laufrad für eine Strömungsmaschine bekannt, das eine Mehrzahl von Schaufeln aufweist, die ihrerseits entlang einer Trennfuge in zwei Teilschaufeln unterteilt sind. Diese Maschine betrifft jedoch keine Wasserturbine, sondern eine Turbomaschine, bei der das Medium nicht eine Flüssigkeit, sondern ein Gas ist. Demgemäß sind die Probleme und Aufgabenstellungen zwischen der Erfindung einerseits und der genannten Entgegenhaltung andererseits grundlegend verschieden voneinander. Die Schaufel einer Francisturbine ist von wesentlich anderem Aufbau und von wesentlich anderer Gestalt als der Rotor gemäß jener Druckschrift. Bei dem Rotor jener Druckschrift handelt es sich um einen scheibenförmigen Grundkörper. Die Schaufeln sind nicht räumlich gekrümmt.

Die Schaufeln können auch mehrfach unterteilt werden, beispielsweise durch zwei Trennfugen in drei Teilschaufeln. Die einzelnen Teilschaufeln können gleich groß oder ungleich groß sein. So ist es beispielsweise denkbar, die Trennfuge derart zu legen, daß eine relativ kleine Vorlaufschaufel und eine relativ große Hauptschaufel entsteht.

Ein notwendiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß nicht nur die Schaufeln in Teilschaufeln unterteilt sind, sondern auch der Laufradboden und der Laufradkranz. Diese beiden stellen bekanntlich normalerweise im wesentlichen jeweils einen Ring dar. Die Unterteilung dieser beiden Bauteile wird derart vorgenommen, daß Teilringe entstehen. Jeder Teilring ist mit den Teilschaufeln fest verbunden. Es entsteht somit eine Einheit, jeweils umfassend die Teilschaufeln, einen ringförmigen Laufradbodenteil sowie einen ringförmigen Laufradkranzteil, somit praktisch ein eigenständiges Laufrad.

Diese Einheiten lassen sich gegeneinander verdrehen. Auf diese Weise läßt sich beispielsweise ein Vorlaufrad vom Hauptlaufrad um einen gewissen Betrag verfahren und dadurch das Betriebsverhalten der Turbine gezielt beeinflussen.

Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Ausführungsformen und Abwandlungen möglich.

So kann beispielsweise ein Teilschaufelrad austauschbar gemacht werden. Im Falle des Verschleißes kann es ausgebaut werden, und es kann ein neues Teillaufrad eingebaut werden. Ein solcher Austausch kommt insbesondere bei dem zuerst angeströmten Teillaufrad in Betracht.

Aber nicht nur im Hinblick auf Verschleiß, sondern auch im Hinblick auf die Anpassung an unterschiedliche Betriebsparameter kann ein Austausch sinnvoll sein. Wie bekannt, können die Durchsätze und Fallhöhen, z. B. jahreszeitlich bedingt, stark schwanken. Demgemäß sind die Austausch- Teillaufräder anders zu gestalten.

Auch können die einzelnen Teillaufräder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Beispielsweise kann das zuerst angeströmte Teillaufrad aus einem besonders widerstandsfähigen Material hergestellt sein.

Statt ein gesamtes Teillaufrad austauschbar zu machen, kann es im Einzelfall genügen, wenigstens dessen Schaufeln austauschbar zu machen, oder Teile dieser Schaufeln, beispielsweise die angeströmten Bereiche.

Die einzelnen Teillaufräder können unterschiedliche Schaufelzahlen aufweisen. So kann es zweckmäßig sein, das in radialer Richtung äußere - zuerst angeströmte - Teillaufrad mit einer großen Zahl von Schaufeln zu versehen, beispielsweise mit 21 Schaufeln, ein mittleres Teillaufrad mit weniger Schaufeln, beispielsweise 14 Schaufeln, und das radial innere Teillaufrad mit noch weniger Schaufeln, beispielsweise mit 7 Schaufeln.

Die Trennfugen zwischen zwei Teillaufrädern werden im allgemeinen quer zur Strömungsrichtung verlaufen, und zwar vom Laufradboden zum Laufradkranz.

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

Fig. 1 zeigt eine Francisturbine in einem Meridianschnitt.

Fig. 2 zeigt in stark schematischer Ansicht, wiederum in einem Meridianschnitt, ein Laufrad einer Francisturbine.

Fig. 3a, 3b, 3c und 3d zeigen in stark schematischer Ansicht zwei Schaufeln sowie den Laufradkranz eines Laufrades in abgewickelter Darstellung in jeweils unterschiedlichen Funktionsstellungen.

In Fig. 3a sind sowohl Vorlaufrad als auch Nachlaufrad geschlossen.

In Fig. 3b ist das Vorlaufrad geöffnet, das Nachlaufrad jedoch geschlossen.

In Fig. 3c ist das Vorlaufrad geschlossen, das Nachlaufrad jedoch geöffnet.

In Fig. 3d sind sowohl Vorlaufrad als auch Nachlaufrad geöffnet.

Fig. 4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Gegenstand von Fig. 1 stark vergrößert, und zwar im Bereich der Trennfuge.

Fig. 5a und 5b zeigen in stark schematischer Ansicht, wiederum in einem Meridianschnitt, ein Laufrad einer Francisturbine in unterschiedlichen Varianten.

Fig. 6 zeigt wiederum schematisch in einem Meridianschnitt eine Francisturbine mit zwei Teil-Laufrädern.

Fig. 7 zeigt den Gegenstand von Fig. 6 in einem Axialschnitt.

Fig. 8 ist eine Schnittansicht durch eine in Teilschaufeln unterteilte Schaufel mit einer aufblasbaren Teilschaufel.

Fig. 9 zeigt einen Axialschnitt durch eine Francisturbine mit drei Teil- Laufrädern, bei denen die Schaufelzahl von Laufrad zu Laufrad von außen nach innen abnimmt.

Die in Fig. 1 gezeigte Francisturbine weist als Hauptelemente ein Laufrad 1 auf, ein Gehäuse 2, einen Leitapparat 3 und eine Welle 4.

Das Laufrad umfaßt einen Laufradboden 1.1, einen Laufradkranz 1.2 sowie eine Vielzahl von Schaufeln 1.3. Zwischen dem sogenannten Turbinendeckel 2.1 und dem Laufradboden 1.1 befindet sich ein Radseitenraum 5, und zwischen dem Laufradkranz 1.2 und dem Gehäuse 2 befindet sich ein Radseitenraum 6.

Man erkennt eine Trennfuge 1.4. Diese verläuft annähernd parallel zur Eintrittskante bzw. Austrittskante der Maschine. Die Trennfuge kann prinzipiell auch abweichend davon verlaufen.

Die Trennfuge 1.4 unterteilt die einzelnen Schaufeln 1.3 in Vorschaufeln 1.3.1 und Hauptschaufeln 1.3.2. Zugleich trennt sie aber auch einen entsprechenden Ring 1.1.1 sowie 1.2.1 vom Laufradboden 1.1 bzw. vom Laufradkranz 1.2 ab. Damit ist eine Einheit gebildet aus Vorlaufschaufeln 1.3.1, dem ringförmigen Laufradbodenteil 1.1.1 und dem ringförmigen Laufradkranzteil 1.2.1.

Eine entsprechende Einheit ist gebildet aus den Hauptschaufeln 1.3.2 und dem verbleibenden Hauptteil des Laufradbodens sowie dem verbleibenden Hauptteil des Laufradkranzes.

Die genannten Einheiten sind relativ zueinander verdrehbar, und zwar um die Maschinenachse 4.1.

Das in Fig. 2 schematisch dargestellte Laufrad einer Francisturbine weist wiederum die genannten Bauteile auf, nämlich Laufradboden 1.1, Laufradkranz 1.2 sowie Schaufeln 1.3. Wie man sieht, sind die Schaufeln durch zwei Trennfugen 1.4.1 und 1.4.2 in drei Teilschaufeln zerlegt, und zwar in die Teilschaufeln 1.3.1, 1.3.2 und 1.3.3.

Die in Fig. 3 gezeigte vergrößerte Draufsicht auf die genannten Teilschaufeln läßt die Verschwenkbarkeit der Teilschaufeln relativ zueinander um die Maschinenachse 4.1 erkennen. In geschlossenem Zustand schmiegen sich die Teilschaufeln aneinander an und bilden so eine Einheit, vergleichbar mit einem konventionellen Laufrad.

Im einzelnen erkennt man folgendes: bei Fig. 3a ist das Vorlaufrad geschlossen. Die Hauptschaufeln und die Vorlaufschaufeln liegen satt aneinander an. Das selbe gilt für das Nachlaufrad. Im Gegensatz hierzu ist bei der Konfiguration gemäß Fig. 3b das Vorlaufrad geöffnet, aber das Nachlaufrad geschlossen. Bei der Konfiguration gemäß Fig. 3c hingegen ist das Vorlaufrad geschlossen, während das Nachlaufrad geöffnet ist. Bei der Konfiguration gemäß Fig. 3d sind sowohl das Vorlaufrad als auch das Nachlaufrad geöffnet.

Wie man sieht, kann die Spaltweite gezielt eingestellt werden. In geschlossenem Zustand bilden die Teilkomponenten weitgehend eine Einheit. Bei ungünstiger Anströmung in geschlossenem Zustand können durch Öffnen der Profile die Strömungsverhältnisse verbessert werden. Die Strömungsverhältnisse an der Eintrittskante und an der Austrittskante lassen sich durch die Weite des Spaltes 1.4 in weitaus höherem Maße als bisher steuern.

Wie weiter oben erwähnt, dient die Erfindung dazu, eine Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen vorzunehmen. Dabei wird unter der Bezeichnung "unterschiedliche Betriebsbedingungen" die Veränderung der Fallhöhe sowie die Veränderung des Durchsatzes verstanden. Diese Veränderungen sind hauptsächlich durch jahreszeitliche Einflüsse bedingt. So ist im Winter häufig ein niedrigerer Wasserspiegel verfügbar als im Sommer. Die Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen wird erreicht durch eine Veränderung der Position mehrerer Teilschaufeln relativ zueinander, die Bestandteil der Hauptschaufeln sind. Siehe Fig. 3.

Wie man sieht, ist die Trennfuge 1.4 sehr weit, d. h. es herrscht zwischen der Vorlaufschaufel 1.3.1 und der Hauptschaufel 1.3.2 ein deutlicher Abstand. Dies hat zur Folge, daß die Hauptschaufel 1.3.2 ebenfalls eine Eintrittskante bildet. Die Strömungsverhältnisse der Eintrittskante lassen sich durch die Weite der Trennfuge nach Belieben einstellen.

Die in Fig. 4 dargestellte Einzelheit aus Fig. 1 läßt wieder die Vorlaufschaufeln 1.3.1 erkennen, die fest miteinander verbunden sind mit dem ringförmigen Laufradbodenteil 1.1.1. Man erkennt ferner die Hauptschaufeln 1.3.2 mit dem ebenfalls ringförmigen Laufradboden-Hauptteil 1.1.2. Die beiden ringförmigen Teile 1.1.1 und 1.1.2 sind mittels eines Lagers 7 axial und radial gelagert und relativ zueinander um die hier nicht dargestellte Maschinenachse 4.1 verdrehbar. Als Lager kommen üblicherweise Gleitlager in Betracht. Andere Lagerarten sind aber möglich.

Die Fig. 5a und 5b sind ähnlich Fig. 2. Im Gegensatz zu Fig. 2 ist jedoch bei Fig. 5a das Laufrad mit einem Vorlaufrad versehen, bei dem die Schnittfläche 1.4.1 nur durch Laufradboden und einen Teil der Schaufeln geht. Der Laufradkranz ist in Fig. 5a ungeteilt. In Fig. 5b ist das Laufrad mit einem Nachlaufrad versehen, bei dem die Schnittfläche 1.4.2 nur durch Laufradkranz und einen Teil der Schaufeln geht. Der Laufradboden 1.1 ist hierbei ungeteilt und über die Laufradschaufeln 1.3.2 mit einem Teil des zweiteiligen Laufradkranzes 1.2 verbunden. Auch andere Kombinationen der Unterteilungen von Vorlaufrad, Laufrad und Nachlaufrad sowie untersachiedliche Teilflächen sind möglich und sinnvoll.

Eine weitere interessante Möglichkeit ist in den Fig. 6 und 7 gezeigt. Die dort dargestellte Schaufel umfaßt eine Hauptschaufel 1.3.1 und eine Nebenschaufel 1.3.2. Die beiden Schaufeln sind entlang einer Trennfuge 1.4 zusammengefügt. Dabei ist die Hauptschaufel 1.3.1 fest verbunden mit einem ringförmigen Teil-Schaufelboden und mit einem ebenso ringförmigen Teil- Schaufelkranz. Desgleichen ist die Nebenschaufel mit solchen Ringen aus Boden und Kranz verbunden.

In der Figur ist die Nebenschaufel 1.3.2 in ausgezogenem Zustand dargestellt, d. h. herausgefahren aus dem Körper der Hauptschaufel 1.3.1. Gestrichelt angedeutet ist die eingefahrene Position der Nebenschaufel 1.3.2.

Die in Fig. 8 dargestellte Schaufel 1.3 ist wiederum in drei Teilschaufeln 1.3.1, 1.3.2 und 1.3.3 unterteilt, und zwar durch Trennfugen 1.4.1, 1.4.2.

Die im Schnitt dargestellte Teilschaufel 1.3.1 ist hohl. Der Innenraum weist einen Druckanschluß auf, so daß die Schaufel aufblasbar ist. Die Kontur in aufgeblasenem Zustand ist gestrichelt dargestellt.

Wie man aus Fig. 9 erkennt, nimmt die Zahl der Teilschaufeln in radialer Richtung von außen nach innen ab. So sind die mittleren Teilschaufeln 1.3.2 geringerer Anzahl als die äußeren Teilschaufeln 1.3.1, und die radial inneren Teilschaufeln 1.3.3 wiederum geringer als die mittleren Teilschaufeln 1.3.2.

Claims

1. Laufrad für eine Francisturbine;

1.1 mit einer Mehrzahl von Schaufeln (1.3), die jeweils paarweise einen Strömungskanal miteinander bilden;
1.2 mit einem Laufradboden (1.1);
1.3 mit einem Laufradkranz (1.2);
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.4 die Schaufeln sind entlang einer oder mehrerer Trennfugen (1.4) in wenigstens zwei Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) unterteilt;
1.5 Laufradboden (1.1) und Laufradkranz (1.2) sind ebenfalls entsprechend den Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) in Ringe (1.1.1, 1.1.2) unterteilt, so daß Teillaufräder entstehen;
1.6 die einzelnen Teillaufräder sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar.

2. Laufrad für eine Francisturbine;

2.1 mit einer Mehrzahl von Schaufeln (1.3), die jeweils paarweise einen Strömungskanal miteinander bilden;
2.2 mit einem Laufradboden (1.1);
2.3 mit einem Laufradkranz (1.2);
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
2.4 die Schaufeln sind entlang einer oder mehrerer Trennfugen (1.4) in wenigstens zwei Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) unterteilt;
2.5 die einzelne Trennfuge (1.4) läuft vom Laufradboden (1.1) zum Laufradkranz (1.2);
2.6 Laufradboden (1.1) und Laufradkranz (1.2) sind ebenfalls entsprechend den Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) in Ringe (1.1.1, 1.1.2) unterteilt, so daß Teillaufräder entstehen;
2.7 die einzelnen Teillaufräder sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar.

3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillaufräder gegeneinander verdrehbar sind.

4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillaufräder parallel zur Drehachse (4.1) gegeneinander verschiebbar sind.

5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Schaufeln austauschbar ist (Austauschteil).

6. Laufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für ein und dieselbe Position innerhalb des Laufrad es vorgesehene Austauschteile im Hinblick auf unterschiedliche Betriebsparameter unterschiedlich gestaltet und/oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.

7. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teillaufräder eine unterschiedliche Zahl von Schaufeln aufweisen.

8. Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaufelzahl von Laufrad zu Laufrad von außen nach innen abnimmt.

9. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen (1.4) im wesentlichen quer zur Strömungsrichtung verlaufen.

10. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennfugen (1.4) im wesentlichen in Strömungsrichtung verlaufen.

11. Laufrad für eine Francisturbine

11.1 mit einer Mehrzahl von Schaufeln (1.3), die jeweils paarweise einen Strömungskanal miteinander bilden;
11.2 mit einem Laufradboden (1.1);
11.3 mit einem Laufradkranz (1.2);
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
11.4 die Schaufeln sind entlang einer oder mehrerer Trennfugen (1.4) in wenigstens zwei Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) unterteilt;
11.5 Laufradboden (1.1) und Laufradkranz (1.2) sind ebenfalls entsprechend den Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) in Ringe (1.1.1, 1.1.2) unterteilt, so daß Teillaufräder entstehen;
11.6 die einzelnen Teillaufräder sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar;
11.7 die Schaufeln sind jeweils in eine Hauptschaufel (1.3.1) und eine Nebenschaufel (1.3.2) unterteilt.

12. Laufrad nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß Haupt- und Nebenschaufel relativ zueinander verdrehbar sind.

13. Laufrad für eine Francisturbine;

13.1 mit einer Mehrzahl von Schaufeln (1.3), die jeweils paarweise einen Strömungskanal miteinander bilden;
13.2 mit einem Laufradboden (1.1);
13.3 mit einem Laufradkranz (1.2);
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
13.4 die Schaufeln sind entlang einer oder mehrerer Trennfugen (1.4) in wenigstens zwei Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) unterteilt;
13.5 Laufradboden (1.1) und Laufradkranz (1.2) sind ebenfalls entsprechend den Teilschaufeln (1.3.1, 1.3.2) in Ringe (1.1.1, 1.1.2) unterteilt, so daß Teillaufräder entstehen;
13.6 die einzelnen Teillaufräder sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar;
13.7 wenigstens einzelne Schaufeln sind zwecks Änderung von deren Kontur aufblasbar.