DE4302473A1

DE4302473A1 - Wasserturbine mit einem Laufrad und einem Leitrad

Info

Publication number: DE4302473A1
Application number: DE4302473A
Authority: DE
Inventors: Hermann Bruemmer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-01-29
Filing date: 1993-01-29
Publication date: 1994-08-11

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserturbine mit einem Laufrad und einem Leitrad.

Wasserturbinen sind hinlänglich bekannt; es gibt beispielsweise Kaplan-Turbinen und Francis-Turbinen. Jedoch haben diese beiden spezifischen Turbinenarten auch Nachteile, insbesondere dann, wenn sie eingesetzt werden sollen zur Stromerzeugung in Wasserkraftwerken an Flüssen, die nur eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweisen und bei denen darüber hinaus auch nicht von einer konstanten Durchflußmenge auszugehen ist. So erreicht insbesondere die Kaplan-Turbine ihren höchsten Wirkungsgrad bei etwa 50% der maximalen Durchlaßmenge. Bei einer doppelt regulierten Kaplan- Turbine kann zwar die Turbine an geänderte Durchflußverhältnisse angepaßt werden, jedoch ist diese Turbinenart in ihrem Aufbau kompliziert und auch wegen des erforderlichen aufwendigen Saugrohrsteuer. Darüber hinaus handelt es sich bei der Kaplan-Turbine um eine schnell laufende Turbine, weshalb - zur Vermeidung der Kavitationsgefahr - die Turbine unter dem Unterwasserspiegel eingebaut werden muß. Sie wird daher im wesentlichen in größeren Wasserkraftwerken eingesetzt.

Die Francis-Turbine besitzt zwar ein nicht verstellbares Laufrad, aber ein geregeltes Leitrad, d. h. sie ist bezüglich ihres optimalen Wirkungsgrades auf eine bestimmte Wassermenge abgestimmt. Auch die Francis-Turbine erreicht ihren maximalen Wirkungsgrad erst bei Durchflußmengen, die etwa bei 70% des maximalen Durchflusses liegen. Beim Zurückregeln der Turbine fällt der Wirkungsgrad schnell ab; so wird bei Francis- Turbinen unter 30% Öffnung keine Leistung mehr abgegeben.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Turbine zu schaffen, die bereits bei relativ geringen Durchflußmengen in bezug auf die maximale Durchflußmenge einen hohen Wirkungsgrad besitzt.

Eine derartige Wasserturbine zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß das Leitrad in Anströmrichtung radial dem Laufrad vorgelagert ist, wobei die Laufradschaufeln des Laufrads derart ausgebildet sind, daß das Wasser radial austritt und nicht axial wie bei der Kaplan- und Francis- Turbine. Eine derartige Wasserturbine arbeitet bereits bei geringer Wassergeschwindigkeit; d. h. aber auch, daß ein Saugrohr mit geringer Länge bzw. überhaupt kein Saugrohr erforderlich ist. Auch ist eine derartige Turbine überaus leise laufend. Im einzelnen zeichnet sich das Leitrad dadurch aus, daß es relativ zum Laufrad feststeht, wobei die Leitradschaufeln des Leitrades vertikal stehend und nicht verstellbar sind und entgegen der Drehrichtung des Laufrades gewölbt geformt sind, so daß das in das Leitrad seitlich einströmende Wasser einen Drall erhält, der den optimalen Anströmwinkel für die Laufradschaufeln darstellt. Die Laufradschaufeln des Laufrades, deren Querschnittsform der eines Tragflügels entspricht, sind verstellbar und vertikal stehend auf dem Laufrad angeordnet. Die stehende Anordnung der Laufradschaufeln bedingt, daß das Wasser radial abströmt. Auch die Verstellbarkeit der Schaufeln bzw. Regelung des Laufrades wird im wesentlichen erst durch die stehende Anordnung der Laufradschaufeln ermöglicht. Durch die Regelung des Laufrades durch die Veränderung der Stellung der Laufradschaufeln, kann nicht nur der Wasserstrom geregelt werden; vielmehr kann hierdurch der Schaufelwinkel (Strömungs winkel) der Wassermenge immer optimal angepaßt werden. Daher bleibt der Wirkungsgrad bei einer Öffnung der Turbine zwischen 5-100% annähernd gleich.

Anhand der nachstehenden Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Turbine schematisch im Schnitt;

Fig. 2 zeigt ein Diagramm, in dem schematisch der Wirkungsgrad bezogen auf den Durchfluß der erfindungsgemäßen Turbine im Vergleich zu einer Kaplan- und einer Francis-Turbine dargestellt ist;

Fig. 3 zeigt schematisch die Turbine im eingebauten Zustand.

Gemäß der Fig. 1 ist die Anströmrichtung des Wassers auf das Leitrad mit dem Pfeil 1a und die Abströmrichtung axial aus der Turbine mit dem Pfeil 1b gekennzeichnet. Die Turbine 2 besteht im wesentlichen aus dem Leitrad 3 und einem mit 4 bezeichneten Laufrad. Das Leitrad 3 besteht aus einem Käfig 3a, in dem die Leitradschaufeln 3b stehend angeordnet sind. Die Leitradschaufeln 3b sind von außen gesehen entgegen der Rotationsrichtung des Laufrades (Pfeil 6) gewölbt ausgebildet.

Das Laufrad 4 besteht aus einzelnen Laufradschaufeln 4b, die gleichfalls in einem insgesamt mit 4a bezeichneten Laufradkäfig angeordnet sind. Der Querschnitt der Laufradschaufeln 4b ist ähnlich dem eines Tragflügels getroffen.

Die Laufradschaufeln 4b sind darüber hinaus um die Achse 4d verstellbar ausgebildet, wobei die Achse 4d in dem Laufradkäfig befestigt ist. Die Verstellbarkeit der Laufradschaufeln 4b erfolgt durch den insgesamt mit 5 bezeichneten Verstellapparat. Der Verstellapparat 5 besteht aus einem Hebelmechanismus 5a, der an einem Stellelement 5b exzentrisch, also außerhalb des Drehpunktes angelenkt ist. Dieses Stellelement 5b ist mit weiteren Stellelementen 5c durch Stellglieder 5d verbunden, wobei die Stellelemente 5c einerseits durch die Achse 3c auf den feststehenden Leitradschaufeln 3b gelagert sind, und andererseits jeweils mit der Achse 4c verbunden sind. Durch Betätigung des Stell apparates kann die Stellung der Leitradschaufeln der momentanen Durchflußmenge angepaßt werden, um so den Wirkungsgrad zu erhöhen.

Fig. 2 zeigt das Diagramm mit der Darstellung des Wirkungsgrades einer Kaplan-, einer Francis- und der erfindungsgemäßen Turbine, bezogen auf den Durchfluß. Es ist unmittelbar erkennbar, daß die erfindungsgemäße Turbine bereits bei geringen Durchflußmengen einen hohen Wirkungsgrad aufweist, den die Francis- und die Kaplan-Turbine erst bei weitaus höheren Durchflußmengen erreichen.

Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Turbine schematisch im eingebauten Zustand in einem Wasserkraftwerk.

Claims

1. Wasserturbine mit einem Laufrad und einem Leitrad, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (3) in Anströmrichtung radial dem Laufrad (4) vorgelagert ist, wobei die Laufradschaufeln (4b) des Laufrades (4) derart ausgebildet sind, daß das Wasser radial austritt.

2. Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (3, relativ zum Laufrad (4) feststeht.

3. Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitrad (3) Leitradschaufeln (3b) aufweist.

4. Wasserturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradschaufeln (3b) feststehend ausgebildet sind.

5. Wasserturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradschaufeln (3b) entgegen der Drehrichtung des Laufrades (4) gewölbt geformt sind.

6. Wasserturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (4b) verstellbar in dem Laufradkäfig (4a) angeordnet sind.

7. Wasserturbine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitradschaufeln (3b) in etwa vertikal stehend auf dem Leitrad (3) angeordnet sind.

8. Wasserturbine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln (4b) in etwa vertikal stehend in dem Laufradkäfig (4a) angeordnet sind.