DE3390228T1

DE3390228T1 - Strömungsmaschine rotodynamischen Typs

Info

Publication number: DE3390228T1
Application number: DE19833390228
Authority: DE
Inventors: wird später genannt Erfinder
Original assignee: Jonsson Pumpkonsult
Current assignee: Jonsson Pumpkonsult
Priority date: 1982-10-06
Filing date: 1983-10-04
Publication date: 1985-04-18
Also published as: GB2158523A; DE3390228C2; FR2537218B3; AU2072683A; FR2537218A1; SE8205692D0; SE450901B; WO1984001406A1; SE8404985L; SE8404985D0; GB2158523B; JPS59501870A; US4555218A; GB8425732D0

Description

Zlpse + Habersack ^! Kemnatenstraße 49. | λ

D-8000 München 19 J · 339 0

JONSSON PUMKONSULT KI, 58

15.10.1984 Strömungsmaschine rotodynamischen Typs

Die Erfindung bezieht sich auf eine Strömungsmaschine rotodynamischen Typs mit einem Rotor,der angeordnet ist_/von einem Mediumstrom quer zur Drehachse durchflossen zu werden, und der mit zumindest einem Rotorblatt versehen ist,welches durch Verschwenkung während des Betriebs einstellbar ist. Zu den rotodynamischen Strömungsmaschinen gehören mehrere bekannte Kontruktionen wie z.B. die Voith-Schneider'sehen Schiffspropeller, Darrieus- und Savonius-Rotore für Windturbinen, Ossberger- oder Mitchell-Turbinen für Wasserantrieb und der so genannte Querstromlüfter. Die Voith-Schneider-Propeller z.B. haben gewöhnlich Rotorblätter die beim Drehen verstellt werden können.

Bei einem Rotor, der von einem Strom quer zu seiner Drehachse durchflossen wird, und der ziemlich spärlich mit Rotorblättern bestückt ist, muss es im allgemeinen eine Möglichkeit geben, die Blätter bezüglich einer Tangente zu ihrer kreisrunden Bahn zu verschwenken (verstellen). Die Art und Grosse der Winkelverstellung wird in jeder Lage der Rotorblätter von der Bedingung bestimmt, dass eine Senkrechte zur Ebene, in der sich das Rotorblatt erstreckt (d.h. zur Symmetrieebene des Rotorblattes, welches üblicher Weise eine profilierte Form aufweist), zumindest annähernd durch einen so genannten Steuerpunkt hindurch gehen soll. Z.B. im Darrieus-Rotor ist der Steuerpunkt an der Drehachse des Rotors belegen und die Rotorblätter haben eine feststehende Lage, so dass die genannten Ebenen immer tangential zur Kreisbahn der Rotorblätter verlaufen.

Das Einstellen der Rotorblätter einer Turbine ist fürs erste darum erwünscht, damit ein zureichend grosses Startmoment erhalten wird, und ferner deshalb, damit die abgegebene Leistung und/oder die Drehzahl wunschgemäss geändert werden kann, und schliesslich auch deshalb, um eine Überlastung zu vermeiden, 5 wenn das durch den Rotor strömmende Medium allzu hohe Ein-

ström, ujigsgeschwindigkeit aufweist. Wenn Querstrommaschinen nicht als Turbinen, sondern als Pumpen, Lüfter, Rührapparate u. dgl. angewandt werden, bringt die Möglichkeit einer Verstellung der Rotorblätter mit sich, dass die Kapazität je nach Wunsch leicht geändert werden kann und zwar bei nur unbedeutender Herabsetzung der Leistung.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe eine Strömungs- oder Turbomaschine des eingangs erwähnten Typs zu schaffen in der die Verstellung der Rotorblätter auf äusserst einfache, aber zuverlässige Weise durchgeführt werden kann ohne Anwendung von komplizierten Einrichtungen zur Übertragung der Einstellkraft an einen sich drehenden Rotor.

Eine Turbine soll verhältnismässig kleinen Durchmesser aufweisen damit beim Generator hohe Drehgeschwindigkeit erreicht wird, und bei gegebener Durchflussfläche muss dann der Rotor, d.h. die Rotorblätter, verhältnissmässig grosse Axiallänge aufweisen. Die Verstellung der Rotorblätter in einem derartigen Rotor ist gemäss den bekannten Methoden sehr umständlieh. Dieser Nachteil wird durch die vorligende Erfindung behoben, und unter anderem wird das Arbeitsgebiet von Querstrommaschinen mit Rotoren,. _#die nur ziemlich spärlich mit Rotorblättern bestückt sind,derart erweitert, dass auch Anwendung von Wasserkraft in Betracht kommt.

Kleine Wasserturbinen von so genannter Mikro-Grösse (d.h. mit Leistungen unter etwa 100 kW) konnten bisher nicht zu angemessenen Kosten für Fallhöhen von weniger als ungefähr 3m gebaut werden. Erfindungsgemäss kanneine derartige Turbine bereits für Fallhöhen in der Grössenordnung von 0,5m gebaut werden, weil sich die Turbine trotz der kleinen Fallhöhe schnell dreht undVim Messsystem "Kubikmeter per Sekunde und Meter" so genannte spezifische Drehzahlen in der Grössenordnung von bis etwa 1000 Umdrehungen per Minute aufweist.

Die erfindungsgemässe Strömungsmaschine ist gekennzeichnet

durch die aus den angeschlossenen Patentansprüchen hervorgehenden Kennzeichren; Die erfindungsgemässe Maschine ist in der Regel mit einem Rotor in Form eines länglichen Zylinders versehen, d.h. eines Zylinders,der grössere Länge als Breite aufweist, und die Rotorblätter können an mehreren Stellen entlang der Länge des Rotors auf zweckmässige Weise befestigt sein, gegebenen Falls an kreisrunden Trägerringen.

Eine erfindungsgemässe Wasserturbine mit einem zylindrischen IQ Rotor ist bei kleinen Fallhöhen dank ihrer hohen Drehgeschwindigkeit einer Propellerturbine (Kaplan-Turbine) überlegen und sie ist, ebenfalls dank der hohen Drehgeschwindigkeit, sowie ihrer Leistungsfäihicjkeit, auch gemäss den neuesten Bauprinzipen gebauten unterschlächtigen Wasserrädern überlegen. Das Prinzip der vorliegendenErfindung ist jedoch keineswegs auf Anwendung bei Wasserturbinen beschränkt, sondern es eignet sich zur Anwendung bei allen Maschinen vom Querstromtyp und insbesondere z.B. dazu, um auf äusserst einfache Weise die Rotorblätter bei einem Rotor vom Darrieus-Typ zu verstellen, ungeachtet des Längen/Durchmesser-Verhältnisses des Rotors.

Man kann sagen, dass die Erfindung auf räumlich-geometrischen Verhältnissen zwischen den Bewegungen beruht, die zu Stande kommen,wenn ein Rotorblatt um eine erste Achse gedreht und gleichzeitig zwangsweise gesteuert wird _t eine Drehung um zumindest eine andere Achse durchzuführen, wobei zumindest eine der beiden Achsen schräg, d.h. weder parallel noch koaxial, gegenüber der Drehachse des Rotors verläuft.

Es hat sich herausgestellt, dass wenn die Rotorblätter um Achsen verschwenkt werden,die schräg anstatt parallel zur Drehachse des Rotors verlaufen, so können die für die Verstellung benötigten Kräfte leicht allen Rotorblättern zugeführt werden,auch wenn diese, d.h. der ganze Rotor, sehr lang sind. Wenn dagegen eine Schwenkachse parallel mit der Drehachse des Rotors verläuft, so muss für jedes Rotorblatt ein Stellmechanismus am betreffenden Blatt-Träger vorgesehen werden, oder drehmomenterzeugende Stellkräfte müssen in die langen und schmalen Blattprofile überführt werden.

Erfindungsgemäss werden dagegen axial verlaufende Stellkräfte übertragen, und eine Verstellung der Rotorblätter kann einfach durch Verschwenken zumindest eines Lagers der Rotorwelle erzielt werden. Das bringt mit sich, dass ein Einstellglied für die Verstellung aller Rotorblätter eines sich drehenden Rotors an einem stillstehenden Teil der Maschine angeordnet werden kann. Endstücke eines länglichen Rotors, oder besondere Blatt-Träger bei einem Darrieus-Rotor, können mit der genannten Welle, die in dem vom Einstellglied beherrschten Lager gelagert ist, starr verbunden werden. Weil die Drehachse der Blattbefestigung in den Endstücken oder in den Blatt-Trägern schräg verläuft, hat eine Verschwenkung des genannten Lagers um eine Achse,die weder koaxial noch parallel mit der Drehachse des Rotors verläuft zur Folge, dass sich die Lage der Rotorblätter bezüglich der Tangente zu ihrer kreisförmigen Bahn, d.h. ihre Schwenklageod. ■ihr "Anstellwinkel",'ändert.

Alternativ können die Endstücke oder Blatt-Träger schwenkbar oder neigbar an einer nicht schwenkbaren Drehwelle des Rotors angeordnet sein, und die Verstellung der Rotorblätter wird auf herkömmliche Weise erreicht, z.B. mit Hilfe von Hydraulik. Auch kann eines der Endstücke mittels des Stellgliedes und des Lagers neigbar angeordnet werden, und das andere Endstück neigbar an einer Welle gelagert sein, die in einem feststehenden Lager untergebracht ist und vorzugsweise die Abtriebswelle der Maschine bildet.

Die Erfindung soll nun an Hand von Beispielen gemäss den beigefügten schmatischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen hierbei:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Strömungsmaschine,bei der die

vorliegende Erfindung angewandt werden kann, Fig. 2 eine Draufsicht einer erfindungsgemässen Anordnung, Fig. 3 eine Perspektivansxcht der Anordnung gemäss Fig. 2, Fig. 4 den Endabschnitt eines Rotorblattes in der Anordnung gemäss Fig. 2 und Fig. 3 in grösserem Masstab,

Fig. 5 einen Schnitt entlang der Ebene V-V in Fig. 4, Fig. 6a bis 6c drei Projektionen der für die vorliegende

Erfindung ausschlaggebenden geometrischen Grossen, und Fig. 7 eine abgewandelte Lagerung des Rotors.

Einander entsprechende Teile sind in allen Zeichnungsfiguren mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.

Eine herkömmliche Querstrommaschine gemäss Fig. 1 hat einen mit drei länglichen Rotorblättern 4 versehenen Rotor 40.

Der Rotor weist eine Drehachse 1 auf,die von einer Welle gebildet ist. Die eingangs erwähnten Senkrechten N zu den Rotorblättern sind alle auf den ebenfalls schon erwähnten Steuerpunkt 2 ausgerichtet. Die Einflussrichtung des den Rotor durchströmenden Mediums ist mit dem Pfeil P_ angezeigt. Der Rotor 4 0 kann in einem umschliessenden Gehäuse 3 untergebracht sein oder auch frei im Mediumstrom angeordnet werden. In Fig. 1 ist eine Strömungsmaschine schematisch dargestellt, die sich für die Anwendung der vorliegenden Erfindung eignet, ohne jedoch dass die Erfindung selbst gezeigt wäre.

Eine erfindungsgemässe Anordnung ist in den nachfolgenden Zeichnungsfiguren dargestellt. Gemäss Fig. 2 und 3 ist ein erfindungsgemässer Turbinenrotor 40' für Drehung um eine Drehachse 1 angeordnet welche jedoch nicht mehr in ihrer ganzen Länge von einer einstückigen Welle gebildet wird. Der Rotor 40* hat zwei Endstücke 5, 6 von denen jedes an einem eigenen Wellenstumpf 7, 8 befestigt ist.

Die Wellenstümpfe 7, 8 sind drehbar in Lagern 9,10 untergebracht und jedes Lager 9, 10 ist mittels eines Trägerarmes 9', 10* und eines Schwenkzapfens 11, 12 schwenkbar um eine Achse K in einem feststehenden Teil oder Grundteil 13 der Maschine gelagert. Zumindest einer der Wellenstumpfe 7,8 bildet die Abtriebswelle der Maschine,von der ein Drehmoment z.B. für einen Generator abgenommen werden kann. Zumindest einer der Schwenkzapfen 11, 12 ist mit einem Einstellglied 18 zur Lageeinstellung ;, z.B. einer über eine Leitung 18"

betätigten Servolenkung, verbunden. Im einfachsten Fall kann das Einstellglied von einem manuell bedienbaren, an den Schwenkzapfen angeschlossenen Hebel gebildet werden.

Die Rotorblätter 4 (übersichtlichkeitshalber werden zwei Rotorblätter gezeigt, obwohl ein einziges Rotorblatt, oder auch z.B. drei Rotorblätter wie in Fig. 1, oder noch mehr Rotorblätter, vorgesehen werden können) sind in Gelenkstellen mittels Gelenkorganen 14, 15 an die Endstücke 5, 6 schwenkbar angeschlossen. Längere Rotore 40' können ferner einen oder mehrere Trägerringe 16 aufweisen,an die die'Rotorblätter mittels Gelenkorganen 17 ebenfalls schwenkbar angeschlossen sind. Die Endstücke 5, 6 und/oder die Trägerringe 16 können anstatt Scheiben oder Ringe zu sein auch von radial sich erstreckendenArmen gebildet werden, von denen jeder an seinem freien Ende ein Gelenkorgan trägt. Um die Rotorblätter 4 von jedweder Drehmomentbelastung zu befreien, kann eine Welle entlang der Achse 1 angeordnet werden und bei 5a, 6a (Fig. 2) mittels eines nicht dargestellten drehmomentübertragenden Kardangelenks od. dgl. an die Endstücke 5, 6 angeschlossen werden. Die Länge E des Rotors wird zweckmässiger Weise z.B. als ein Doppeltes, und vorzugsweise ein noch höheres Mehrfaches des Durchmessers D gewählt.

Gemäss den Fig. 4 und 5 ist in jedem Rotorblatt 4 in den Gelenkstellen 14, 15, 17 ein Wellenorgan 20-22 vorgesehen, welches zwei koaxiale Wellenteile 20, 21 aufweist,die an einem Leitring 22 befestigt sind, und zwar jedes von einer Seite her. Der Ring 22 ist an einem Schraubbolzen 23 drehbar angeordnet,der eine Achse H hat und in radialer Richtung in das Endstück 6 eingeschraubt ist. Die Lagerung am Endstück 5, und gegebenen Falls am Trägerring 16, ist identisch. Die Achse F des Wellenorgans 20-22 erstreckt sich schräg zur Drehachse 1,die parallel mit den Längskanten 4" des Rotorblattes 4 (siehe ebenfalls Fig. 3) verläuft, und einen Steuerwinkel oC mit einer Ebene einschliesst, welche die Drehachse 1 und z.B. eine der Längskanten 4', oder eine längliche Erzeugende G

des Rotorblattes 4 enthält, welche die Achse H des Schraubbolzens 23 schneidet.

Folgende Gleichungen gelten:

5° < -^ < 85° oder

^= 5° bis 85°, und insbesondere c<= 30° bis 60°.

Die oben angegebenen extremen Werte von 5° und 85° werden angewandt wenn es notwendig ist ein besonders groEses oder besonders kleines tlbertragungsverhältnis zwischen der Neigung der Endstücke und der Schwenkbewegung der Rotorblätter zu erreichen.

In einer abgewandelten Ausführungsform kann die Schwenkachse F einen Winkel oC gemäss Fig. 4 einschliessen, der in der Grössenordnung von 95° bis 175° oder 120° bis 150° liegt. Ausserdem kann die Achse H in beliebiger Richtung bezüglich der Drehachse 1 und bezüglich der Radien zu dieser Achse verlaufen.

Die Gelenkorgane 14, 15, 16 können anstatt in Ausführungsform gemäss Fig. 4 und 5 ausgeführt zu sein auch von elastischen Elementen wie Gummibüchsen oder Drehstäben gebildet werden.

In den Fig. 6a bis 6c sind Bahnen dargestellt, entlang welcher sich bei Drehung Izwei funKte A, B_ an der Achse F bewegen. Gemäss Fig. 6a bewegen sich diese Punkte entlang kreisrunder Bahnen Q, R,S um den Steuerpunkt 2, genauer gesagt um eine durch diesen Punkt gehende Achse 2'. In der Projektion Fig. 6b ist die schräge Lage der Schwenkachse F gegenüber der die Achse 1 und 2¹ enthaltenden Ebene ersichtlich. In der Projektion Fig. 6c erscheinen die kreisrunden Bahnen Q, R, S der Fig. 6a als Ellipsen,die sich sehr dem Kreise nähern. Aus dem Umstand_f dass die Achsen 1 und 2' miteinander einen Winkel einschliessen, der in Fig. 6a als β bezeichnet ist, folgt, dass in Fig. 6c die Bahnen Q, R, S_ der Punkte A, β und des Gelenkorganes 14 gegeneinander verschoben sind. Die Punkte A und B!entsprechen

if) ^λ

einer gewissen Drehlage des Rotors 40¹, wobei mit A' und-"B⁷V die Lage dieser Punkte angegeben wird, wenn der Rotor 40' eine halbe Umdrehung um die Drehachse 1 durchgeführt hat.

Die Projektion der Achse F_r welche auch die Ebene des Rotorblattes 4 darstellt, zeigt in Fig. 6c die Richtung der RotorblattyerSchwenkung,die in einer Querstrommaschine wünschenswert, und im allgemeinen auch erforderlich ist. Vorzugsweise W3rdsndie Umkreisgeschwindigkeit der Maschine bzw. des Rotors, die Einflussgeschwindigkeit des Mediums, und die Form der Rotorblätter so gewählt, dass die Ebene der Rotorblätter (von der Achse F dargestellt) bei normaler Belastung tangential zur genannten kreisförmigen Bahn, d.h. einem um die Achse 1 gezogenen und durch den Steuerring hindurchgehenden Zirkel, verläuft. Die Rotorblätter müssen dann nur beim Start verstellt werden (um ein grosses Startmoment zu erhalten) und bei Teilbelastung (um auch dann einen guten Wirkungsgrad zu erzielen), oder aber bei Überlastung der Maschine. Dadurch werden u.a. diejenigen Probleme abgeschafft, die üblicher Weise bei so genannten Vollbelastungsturbinen für Wasserkraft entstehen, nämlich zufolge unregelmässiger Wasserströmung eintretende Erosion stromabwärts der Turbine.

Wenn die Erfindung bei Wasserturbinen angewandt wird, so können die Trägerringe 16 in Form von für Wasser gänzlich oder teilweise undurchdringlichen Zwischen- oder Trennwänden ausgeführt werden,welche den Rotor der Länge nach in mehrere Abschnitte aufteilen, so dass das Wasser nur durch ausgewählte Abschnitte hindurchgelassen werden kann. Eine erfindungsgemässe Turbine kann auch mit einem herkömmlichen Rotor mit feststehenden Rotorblättern kombiniert werden, wobei beide Rotore eine Hauptwelle mit einem einzigen Generator antreiben.

Bei einer praktischen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Wasserturbine gemäss Fig. 7 ist einer der Wellenstümpfe 7, 8, nämlich der Wellenstumpf 8, der die Abtriebswelle darstellt, und an den ein Generator 20 angeschlossen

ist, in einem nicht einstellbaren Lager 10' untergebracht. Der andere Wellenstumpf ist dann auf die z.B. in Fig. 3 beim Wellenstumpf 7 dargestellte einstellbare Weise montiert. Das beim nicht einstellbar gelagerten Wellenstumpf, d.h. auf der Generatorseite, belegene Endstück 6¹ des Rotors ist gelenkig an den nicht gelenkig gelagerten Wellenstumpf angeschlossen, z.B. mittels eines drehmomentübertragenden Kugelgelenkes 19.

Claims

Patentansprüche

I? Strömungsmaschine rotodynamischen Typs mit einem Rotor (40') ι durch welchen ein Medium in Querrichtung (P) zur Drehachse (1) hindurchströmen kann und welcher mit zumindest einem unter Betrieb schwenkbar einstellbaren Rotorblatt (4) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Rotorblatt (4) in zumindest einem Gelenkpunkt um zwei Schwenkachsen (F, H) schwenkbar gelagert ist, die zumindest annähernd senkrecht zu einander verlaufen und von denen zumindest eine (F) einen Steuerwinkel (c^L) zwischen 5° und 85° oder zwischen 95° und 175°, insbesondere dann zwischen 30° und 60° oder zwischen 120° und 150° mit einer Ebene einschliesst, welche die Drehachse (1) des Rotors (40¹) und den Gelenkpunkt des Rotorblattes enthält.
2. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (40¹) zwei Endstücke (5, 6) aufweist,in denen die schwenkbaren Rotorblätter (4) mit ihren Enden montiert sind, und dass die beiden Endstücke zwecks Lage-Einstellung des oder der Rotorblätter gegenüber der Drehachse des Rotors übereinstimmend neigbar sind_/wobei zumindest eines der Endstücke (5) mit einem Einstellglied (18) zur Regelung der Neigungslage verbunden ist.
3. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Endstücke (5, 6) starr mit einer Welle (7, 8) verbunden ist,die in einem Lager (9, 10) untergebracht ist,welches um eine senkrecht zur Drechachse (1) des Rotors (40*) verlaufende Achse (K) verschwenkbar ist.
4. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das andere Endstück (6¹) auf gelenkige und drehmomentübertragende Weise an einen Wellenstumpf (8') angeschlossen ist,der mit der Drehachse (1) des Rotors (40') zusammenfällt, nicht einstellbar gelagert ist, und die Abtriebswelle der Maschine bildet.
5. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss irgendeinem der vorgehenden Patetansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge (E) des Rotors (40¹) ein Vielfaches seines Durchmessers (D) ist.
6. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Enstücken (5, 6) zumindest ein Trägerorgan (16) vorgesehen ist,an das die einstellbaren Rotorblätter (4) gelenkig angeschlossen sind.
7. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Trägerorgane von Trennwänden gebildet sind die teilweise oder überhaupt nicht wasserdurchlässig sind.
8. Strömungsmaschine rotodynamischen Typs gemäss irgendeinem der vorgehenden Patentansprüche, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , dass jedes einstellbare Rotorblatt (4) an die Endstücke (5,6) mittels Wellenorganen (20-22) angeschlossen ist,die einen zentralen Steuerring (22) und in radial entgegengesetzten Richtungen hieran angeschlossene Schwenkzapfen (20, 21) aufweisen,die sich in der Ebene des betreffenden Rotorblattes erstrecken, und dass ein Bolzenorgan (23) vorgesehen ist,welches durch den Steuerring hindurch geht und in radialer Richtung im Endstück befestigt ist, wobei das Wellenorgan den genannten Steuerwinkel (c^ ) mit der Drehachse (1) des Rotors (40¹) einschliesst.