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Wasserturbinenanlage mit axial durchströmter Turbine und waagrechter
oder angenähert waagrechter Welle Die Erfindung bezieht sich auf Wasserturbinenanlagen
mit axial durchströmten Turbinen mit waagrechter oder angenähert waagrechter Welle
und etwa axial verlaufendem Saugrohr und schlägt hierfür eine neuartige Bauform
mit besonders günstiger Wirkung vor.
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Die bisher bekannte Ausführung von liegenden und axial durchströmten
Wasserturbinen ist die Rohrturbine mit axialem Leitrad, waagrechtem, geradem oder
nur wenig gekrümmtem Saugrohr und mit einem Flügelrad mit Außenkranz, der das Turbinengehäuse
durchdringt und in den meisten Fällen gleichzeitig als Polrad ausgebildet ist. Die
das Laufrad tragende Welle läuft hierbei in je einem vor und hinter dem Laufrad
angeordneten Lager, die mit Stützschaufeln im Turbinengehäuse befestigt sind. Das
gerade' Saugrohr bringt gegenüber dem üblichen gekrümmten Saugrohr einen Wirkungsgradgewinn
mit sich; dagegen verringern der unerläßliche Außenkranz des Laufrades und' die
Stützschaufeln für das Lager hinter dem Laufrad den Wirkungsgrad der Turbine im
Vergleich zu den sonst gebräuchlichen Turbinenbauarten ohne Laufradaußenkranz und
ohne solche Stützschaufeln ganz erheblich. Ferner weist die Rohrturbine den weiteren
Nachteil auf, daß bei ihr die für die bestmÖgliche Wa.sserkraftausnutzung erforderliche
Verstellung der Laufrad- und Leitschaufeln, also die volle Auswertung der Kaplanschen
Erfindung, große konstruktive Schwierigkeiten ergibt. Insbesondere
ist
noch keine betriebssichere Konstruktion für die Laufradschaufeln gefunden worden,
die einerseits; .die Fliehkräfte mit Sicherheit vom Laufradaußenkranz auf die Nabe
überträgt ,und andererseits ein einwandfreies Verstellen der Laufradschaufeln ermöglicht.
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Nachstehend wird nun eine neuartige Ausführung einer Wasserturbinenanlage
mit axial durchströmter Turbine mit waagrechter oder angenähert waagrechter Welle
und etwa axial verlaufendem Saugrohr vorgeschlagen, die wohl die guten Eigenschaften
der bekannten Rohrturbinenanlagen aufweist, aber ihre Nachteile weitgehend vermeidet.
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Gemäß der Erfindung ist hierbei das Saugrohr durch einen Zwischenpfeiler
in zwei vorzugsweise zu einer senkrechten Turbinenachsebene symmetrische Saugrohrzweige
gegabelt, wobei die Turbinenwelle bis in einen im Innern des Zwischenpfeilers angeordneten
Schacht ragt, in dem die anzutreibende Arbeitsmaschine oder Abtriebsvorrichtung
angeordnet ist.
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Die von der Turbine anzutreibende Arbeitsmaschine, z. B. ein Generator,
oder eine sonstige Abtriebs- oder Kraftübertragungsvorrichtung, wie beispielsweise
ein Kettenantrieb, läßt sich nunmehr ohne Schwierigkeiten in dem Schacht des Zwischenpfeilers
unterbringen und kann mit :der die Pfeiler wand durchdringenden Turbinenwelle direkt
gekuppelt werden. Somit ist ein Laufradaußenkranz entbehrlich, was nicht nur eine
Verbesserung des Wirkungsgrades ergibt, sondern auch die stets schwierigen Abdichtungsprobleme
am Laufradumfang vermeidet. Die mit sanfter Krümmung abzweigenden beiden Saugrohrteile
ergeben gegenüber dem einfachen ungegabelten Saugrohr eine kaum nennenswerte Verringerung
es hydraulischen Wirkungsgrades, die gegenüber den anderweitig erzielten Verbesserungen
belanglos ist..
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Das in Strömungsrichtung hintere Turbinenlager kann vorteilhaft an
oder in dem Zwischenpfeiler angeordnet sein. Dadurch werden die bisher hinter dem
Laufrad erforderlichen und den Wirkungsgrad verringernden Stützschaufeln entbehrlich.
Des weiteren lassen sich -das. Turbinenspurlager und die Antriebsvorrichtung für
die Verstellung der Laufradschaufeln, wie z. B. die auf der Turbinenwelle befindliche
Ölzuführung, der Servomotor od. dgl., ohne konstruktive Schwierigkeiten im Schacht
des Zwischenpfeilers unterbringen und sind dort leicht zugänglich und bequem zu
überwachen oder gar auszuwechseln. Die Laufradschaufelverstellung kann in der bewährten
Weise durch die hohl ausgebildete Turbinenwelle hindurch erfolgen.
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Der Zwischenpfeiler wird zweckmäßig im Bereich seiner in Strömungsrichtung
vorderen Kante finit einer Bewehrung aus Stahl od. dgl. versehen. fach einer '\@Teitetbildung
trägt diese Bewehrung gleichzeitig einen zwischen dem rohrförmigen Turbinengehäuse
(Stirnkes,sel) und den Saugrohrzweigen befindlichen Ring (im folgernden als Saugrohrring
bezeichnet), der einerseits einen strömungsgünstigen Übergang zwischen dem Turbinengehäuse
und den Saugrohren schafft, andererseits im Verein mit der Bewehrung eine feste
und gegenüber den Wasserkräften hinreichend widerstandsfähige Kanalauskleidung bildet.
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Des weiteren kann an der Bewehrung des Zwischenpfeilers vorteilhaft
ein Sitz für das in Strömungsrichtung hintere Turbinenlager und gegebenenfalls ein
Mauerrohr für die Durchführung (der Turbinenwelle durch die Pfei.lerwandung angeordnet
sein.
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Da sich das hintere Querlager für die Turbinenwelle an der Pfeilerspitze,
also dicht hinter dem Laufrad anbringen läßt, so kann bei günstigem Wasserzufluß
das Turbinenlaufrad fliegend gelagert sein. In diesem Falle werden auch die vorderen
Stützschaufeln entbehrlich.
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Desgleichen können die Leitschaufeln in günstigen Fällen im Turbinengehäuse
fliegend gelagert werden, wodurch sich eine weitere Vereinfachung des Turbinenaufbaues
ergibt.
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Die erfindungsgemäße Turbinenanlage eignet sich wegen ihrer geringen
Bauhöhe vorteilhaft zum Einbau in Wehre und in überströmte Krafthäuser überhaupt,
desgleichen auch an Sperrmauern mit nicht übermäßig hohen Stauhöhen.
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Die beschriebene Turbinenanlage weist eine geringstmögliche Zahl von
wirkungsgradmindernden Einbauten auf; dazu besitzt sie noch ein Laufrad ohne schädlichen
Außenkranz, angenähert oder ganz geradlinige Saugrohrteile und die Möglichkeit,
ohne besondere Schwierigkeiten verstellbare Laufradschaufeln verwenden zu können.
Die vorgeschlagene -Bauart zeichnet sich aus durch einfachsten Aufbau, betriebssichere
und bereits bewährte Maschinenteile, durch günstigen hydraulischen und mechanischen
Wirkungsgrad undbeste Ausnutzung auch kleiner Wassermengen, die nur noch einen Bruchteil
der Vollbeaufschlagun:g ausmachen; sie ist daher besonders vorteilhaft für -den
ganzen für Kaplanturbinen noch zulässigen Gefällsbereich anwendbar.
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In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel einer gemäß der Erfindung
ausgebildeten Wasserturbinenanlage dargestellt. Hierbei zeigt Abb. i einen Längsschnitt
-durch die Turbine und die Abb. 2 und 3 die gesamte Anlage in einem Längsschnitt
bzw. in. einem Horizontalschnitt. Gemäß Abb. i tritt das Wasser durch die Rohrleitung
i in das rohrförmige Turbinengehäuse 2 (Stirnkessel). Die Stützschaufeln 3 tragen
die Nebenspitze q. mit dem vorderen Turbinenlager. Die für axiale Durchströmung
vorgesehenen Leitschaufeln@ 5 sind in (den Lagern 6 fliegend im Turbinengehäuse
gelagert und an ihren inneren Enden hohlkugelig ausgeschnitten; sie umgeben daher
die entsprechend kugelig gestaltete Nebenspitze q. mit nur geringem Spielraum. Das
Turbinengehäuse ist in der Ebene der Leitschaufeldrehachsen und außerdem noch in
einer Ebene der Turbinenachse geteilt, so daß es., ähnlich wie das Gehäuse von Francisturbinen,
leicht für die Besichtigung von Leit- und Laufrad auseinandergenommen werden kann.
Die verstellbaren Laufra.dschaufeln 7 werden von der
Laufradnabe
8 getragen. Die Turbinenwelle 9 ist mit der Laufradnabe durch den Kuppelflansch
io verbunden und besitzt eine- Bohrung für die Regelspindel i i zum Verstellen des
Laufrades. Das waagrechte Saugrohr wird durch den Zwischenpfeiler 15 in zwei Saugrohrzweige
14. geteilt, die bezüglich einer durch die Turbinenachse gehenden senkrechten Ebene
symmetrisch ausgebildet und angeordnet sind. Der Zwischenpfeiler ist im Bereich
seiner Anströmkante mit einer stählernen Bewehrung 13 armiert. Diese besteht in
dem gezeigten Beispiel aus einem Stück mit einem Saugrohrring 12, -der den Übergang
zwischen dein Turbinengehäuse und den Saugrohrzweigen bildet. Die Bewehrung 13 trägt
ferner eine Sitzfläche 16 für das durch eine übliche Dichtung gegen Wassereintritt
geschützte Turbinenwellenquerlager 17 sowie das Mauerrohr 18 für die Auskleidung
der Wellendurchführung im Zwischenpfeiler. Die Turbinenwelle 9 ragt in den Schacht
i9 im Zwischenpfeiler und ist mit der dort angeordneten Arbeitsmaschine oder dem
Abtrieb gekuppelt.
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Gemäß den Abb. 2 und 3, die die. gesamte Turbinenanlage und ihren
Einbau in ein an eine Staumauer angebautes Kraftwerk zeigen, wird das Wasser der
Turbine 2o durch die Rohrleitung 21 zugeleitet und tritt am Saugrohrring 22 in die
beiden symmetrisch zur Turbinenachse liegenden Saugrohrzweige 23 und 2,4, die durch
den Zwischenpfeiler 25 getrennt sind. Die Turbine 20 ist durch den Schacht 26 vom
Maschinenboden 27 aus zugänglich, während der zur Aufnahme der Turbinenleistung
dienende Stromerzeuger 28 im Abtriebsschacht 29 des Zwischenpfeilers 25 untergebracht
und mit der Turbinenwelle 30 gekuppelt ist. Das turbinenseitige Lager 31
des Stromerzeugers ist zugleich als Längslager (Spurla-ger) zur Aufnahme der in
Richtung der Welle des Maschinensatzes wirkenden Kräfte ausgebildet. Ein am Stromerzeuger
angebrachter Öleinführkopf 32 versorgt den Servomotor zum Verstellen der Laufradschaufeln
mit Drucköl. Die Pfeilerspitzenbewehrung 33 bildet mit dem Saugrohrring 22 und dem
Mauerrohr 34 einen gemeinsamen Bauteil. Die Wandungen des Abtriebschachtes 29 gegen
die beiden Saugrohrzweige 23 und 24 werden so schwach wie möglich bemessen, damit
die Gesamtbreite .der beiden Saugrohre und des Zwischenpfeilers möglichst klein
bleibt. Je nach Abmessungen und Art der Arbeitsmaschine können diese Wandungen auch
aus Stahlblech hergestellt und zum Tragen der Arbeitsmaschine herangezogen «-erden.
Derartige Stahlwandungen sind gegebenenfalls als Kühlmantel für die Arbeitsmaschine
verwendbar. Zur Verringerung der Gesamtbreite können die Saugrohrzweige bei entsprechender
Form der Arbeitsmaschine und des Abtriebschachtes auch zumindest teilweise unter
die Arbeitsmaschine verlegt werden: dies ist insbesondere dann zweckmäßig, wenn
es sich um Turbinenanlagen für kleinere Gefälle handelt, bei denen noch eine gewisse
positive Saughöhe (Entfernung des höchsten Laufradpunktes vom Unterwasserspiegel)
zugelassen werden kann. Die Saugrohrzweige werden dann in der senkrechten Ebene
wohl etwas gekrümmt, doch ist diese Krümmung immer noch weit geringer als bei üblichen
Saugkrümmern.