EP1543240A1 - Laufrad einer hydraulischen maschine - Google Patents

Laufrad einer hydraulischen maschine

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EP1543240A1
EP1543240A1 EP03798896A EP03798896A EP1543240A1 EP 1543240 A1 EP1543240 A1 EP 1543240A1 EP 03798896 A EP03798896 A EP 03798896A EP 03798896 A EP03798896 A EP 03798896A EP 1543240 A1 EP1543240 A1 EP 1543240A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
impeller
blade
cover plate
blades
impeller blade
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP03798896A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Helmut Keck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Andritz Hydro GmbH Austria
Original Assignee
Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Andritz Hydro GmbH Austria filed Critical Andritz Hydro GmbH Austria
Publication of EP1543240A1 publication Critical patent/EP1543240A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/125—Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/04—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator for diminishing cavitation or vibration, e.g. balancing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/128—Mounting, demounting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/2205—Conventional flow pattern
    • F04D29/2222—Construction and assembly
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/18—Rotors
    • F04D29/22—Rotors specially for centrifugal pumps
    • F04D29/24—Vanes
    • F04D29/242—Geometry, shape
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the subject application relates to an impeller of a hydraulic machine, preferably of the positive pressure type, such as a Francis turbine, Francis pump turbine or radial or diagonal pump, with a number of impeller blades, at least one impeller blade being divided and at least two impeller blade parts being arranged detachably from one another, and a method for producing such an impeller.
  • a hydraulic machine preferably of the positive pressure type, such as a Francis turbine, Francis pump turbine or radial or diagonal pump, with a number of impeller blades, at least one impeller blade being divided and at least two impeller blade parts being arranged detachably from one another, and a method for producing such an impeller.
  • An impeller of a hydraulic machine e.g. a Francis turbine or pump turbine has a plurality of impeller blades, two blades each having a flow channel for an operating medium, e.g. Form water through which the operating medium flows during operation of the hydraulic machine and thus sets the rotor in rotation.
  • the manufacture of such a rotor is very complex due to the complex geometric shapes of the impeller blades.
  • the impeller blades In order to manufacture the rotor, e.g. by welding, etc., and / or a corresponding processing of the surfaces, e.g. by grinding, polishing, etc., using processing machines, such as To enable robots, etc., the impeller blades must not be too close together.
  • impellers were manufactured, for example, in such a way that every second or third blade in the entire outlet area of the impeller blades was made shorter than the neighboring impeller blades, so-called "splitter blade runner", and the impeller blades in the entry area were all left the same
  • the advantage of this design is that there is more space in the exit area was created, which essentially eliminated the above disadvantages.
  • this increases the risk of cavitation in the area of the outer cover plate between the center of the blade and the trailing edge, since there the blade loads increase due to the partially reduced blade lengths.
  • a rotor of a Francis turbine is known from US Pat. No. 6,135,716, in which the cavitation behavior has been improved in that the inlet and outlet edges of the impeller blades are specially shaped with respect to the axis of rotation of the turbine.
  • the lengths of all impeller blades are left the same, which corresponds to a conventional impeller.
  • impellers can be simplified under certain circumstances by assembling the impeller and / or the impeller blades from several individual parts. Examples of this can be found in DE 1944 360 A or US 6, 155,783 A.
  • the impeller hood is particularly well suited for receiving at least a part of the impeller blades, since this is usually designed to be detachable from the impeller in order to facilitate assembly.
  • the impeller hood is a more compact and easy-to-use component than the rest of the impeller, so that the impeller can be installed with the divided impeller blades can be easily accomplished.
  • a particularly easy to manufacture impeller is obtained if the impeller blade is made in two parts. This makes it easy to assemble the impeller.
  • a particularly advantageous impeller is obtained if a contact point between the inner cover plate and the leading edge and / or a contact point between the inner cover plate and the trailing edge of at least one first impeller blade has a larger radius with respect to the axis of rotation of the hydraulic machine than the corresponding contact points of an immediately adjacent second impeller blade, wherein the contact points between the outer cover plate and the leading and trailing edge of the first and second impeller blades have essentially the same radius.
  • leading and trailing edges of a first and second impeller blade of the rotor are shaped at least in sections, the edges preferably being shaped identically between the contact point on the outer cover plate and any point on the leading or trailing edge are.
  • the ratio between the smallest radius of a contact point of the trailing edge with the inner cover plate of a blade and the radius of the contact point of the trailing edge with the outer cover plate of this blade is preferably less than or equal to 0.4 less than or equal to 0.2. This means that the exit vortex from the impeller is reduced and the hydraulic machine can be operated perfectly even in partial load ranges.
  • the number of impeller blades of the impeller is advantageously chosen to be divisible by two or three, with every second or third impeller blade then having different leading and / or trailing edges, which results in major manufacturing advantages, at least in the area of small radii, since the individual impeller blades can be machined without any problems are.
  • the radial distance between the contact points of the trailing edge with the outer and inner cover plate is at least one blade greater than the radial distance between the contact points of the entry edge with the outer and inner cover plate Blade is advantageously greater than 10 °, preferably greater than 15 °. Among other things, this can further improve the cavitation behavior of the hydraulic machine.
  • FIG. 2 shows an impeller blade of a conventional impeller of a hydraulic machine
  • FIG. 3 impeller blades of a hydraulic machine with different inputs
  • Trailing edges and Fig. 4 is a view in the axial direction of an impeller blade
  • An impeller 1 of a positive pressure turbine such as a Francis turbine or pump turbine, is generally connected to the shaft 7 via an impeller hub 9 by means of a suitable fastening means 8, here, for example, a screw connection, as shown in FIG. 1, so that the rotary movement of the impeller 1 is transmitted to the shaft 7, or vice versa in a pump turbine in pump mode.
  • the impeller 1 also has an inner 3 and an outer cover disk 6, between which the impeller blades 2 are at least partially are arranged.
  • the impeller blades 2 can be attached to the cover disks 3, 6 by any method, in practice often by welding, but could also be cast as one part.
  • impeller hood 10 In the extension of the impeller hub 9 there is an impeller hood 10 to which a part of the impeller blade 2a is fastened, e.g. again by welding. Likewise, the impeller hood 10 could be cast as one part with the impeller blade part 2a.
  • the impeller blade 2 is thus divided into two parts, the two parts being detachable from one another.
  • a connecting means 11 is provided, here e.g. Countersunk screws with which the impeller hub 9 can be detachably connected to the impeller hood 10. This makes it possible to remove part of the impeller blade 2a with the impeller hood 10 from the rest of the impeller, so that the accessibility in the axial region of the impeller 1, e.g. for impeller attachment 8, is improved.
  • the view Y of FIG. 1 shows the impeller hood 10 in an axial view, in this example all the impeller blades 2 being of split design, which, as will be described further below, does not necessarily have to be the case.
  • the section X - X through the connecting line of the impeller blade parts of Fig. 1 shows that the individual parts by a suitable connecting means 12, such as here e.g. Countersunk screws can also be connected to one another along the connecting line, which improves the operating behavior of the impeller blades 2, especially with regard to vibration behavior and stability.
  • a conventional impeller blade 2 of a hydraulic machine according to FIG. 2 is arranged between an inner 3 and outer cover plate 6 and has an inlet edge 4 and an outlet edge 5, which are the inner 3 and outer at the four contact points A, B, C and D. Cut cover plate 6.
  • Adjacent impeller blades 1 form a flow channel through which the operating medium, for example water, can flow.
  • the operating medium for example water
  • the leading edge 4 for example from a well-known spiral housing (not shown here) and a diffuser, to the trailing edge 5 and further to a well-known suction pipe (also not shown here) which opens into an underwater.
  • the direction of flow would be reversed accordingly, here from the leading edge 5 to the leading edge 3.
  • the flow of the operating medium causes the impeller 1 to rotate (in the case of a turbine) or the rotation of the impeller 1 operating medium is promoted (at a pump turbine in pump mode).
  • the axis of rotation of the turbine is indicated by the dash-dotted line.
  • the impeller blade 1 is in most cases not flat, but can in principle have any spatial curvature, as indicated in FIG. 4, in which a view of an impeller blade 2 is shown in the axial direction of the axis of rotation.
  • the contact points C (or G), D of the leading edge 4 (or 4a) on the inner cover plate 3 and on the outer cover plate 6 can have a circumferential distance ⁇ E with respect to the axis of rotation of the turbine, that is to say based on the axial direction of the axis of rotation does not come to lie on a radial line through the axis of rotation, but are arranged at a certain angle to one another.
  • the contact points D, A on the outer cover plate 6, viewed in the direction of rotation, are arranged in front of the corresponding contact points B (or F), C (or G) on the inner cover plate.
  • an impeller 1 is now shown schematically, the impeller blades 1 of which are again arranged between an inner 3 and outer cover plate 6 and again form a flow channel for the operating medium.
  • every second or third impeller blade 2 With this impeller 1, however, the leading edge 4 and the trailing edge 5 of every second or third impeller blade 2 are partially pulled outwards (or pulled inwards, depending on the point of view) with respect to the axis of rotation of the turbine. Ie, that part of the impeller blades 2 are still limited conventionally, as described in FIG. 1, that is, by an entry edge 4 between the contact points C and D, an exit edge 5 between the contact points A and B, and the inner 3 and outer cover plate 6. Every second or third impeller blade 2 deviates from this limitation.
  • the leading edge 4 of two adjacent impeller blades 2, 2 ' extends from the contact point D between the leading edge 4 and the outer cover plate 6 to any point H on the leading edge 4, from this point H the leading edge 4a is pulled outwards with respect to the axis of rotation, ie that the contact point G of the leading edge 4a of the impeller blade 2 on the inner cover plate 3 has a larger radius than the corresponding contact point C of the adjacent impeller blade 2 '.
  • the trailing edges 5 of the immediately adjacent impeller blades 2, 2 ' essentially coincide between a contact point A on the outer cover plate 6 and any point E on the trailing edge 5.
  • the trailing edge 5a is behind every second or third impeller blade 2 pulled outside (or pulled in, depending on the point of view), ie that the contact point B of the trailing edge 5a of the impeller blade 2 on the inner cover plate 3 has a larger radius than the corresponding contact point F of the adjacent impeller blade 2 '.
  • the delimitation of a part of the impeller blades 2 thus runs between the contact points C and D, which form the leading edge 4, and the contact points A and B, which form the trailing edge 5, as in conventional blades, and the delimitation of every second or third impeller blade 2 'runs between the points D, H and G which form the leading edge 4a and the points A, E and F which form the trailing edge 5a.
  • the points E and H can moreover be arranged at any position on the leading edge 5 or leading edge 4, in particular these points E and H could also coincide with the contact points A and D on the outer cover plate 6 in an embodiment according to the invention.
  • the impeller blades 2, 2 ' can be brought very close to the axis of rotation of the turbine, ie the contact points F of the outlet edges 5 on the inner cover plate 3 can have very small diameters.
  • a radius ratio r F / r A at the trailing edge 5 of less than or equal to 0.2 can be achieved, which was previously problematic, if at all possible.

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Abstract

Laufradschaufeln (2) eines Laufrades (1) einer hydraulischen Maschine sollen derart geformt sein, dass zum Einen ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann und zum Anderen die hydraulische Maschine auch in Teillastbereichen ohne grössere Einschränkungen betrieben werden kann, wobei immer auch ein gutes Kavitationsverhalten der hydraulischen Maschine erwünscht ist und dieses Laufrad (1) auch noch möglichst einfach ohne Einschränkungen durch sehr kleine Lichtweiten mit Bearbeitungsmaschinen hergestellt und montiert werden soll. Um diese Ziele zu erreichen wird erfindungsgemäss ein Laufrad (1) vorgeschlagen, bei dem Laufradschaufeln (2) geteilt ausgeführt werden, sodass ein Teil (2a) der Laufradschaufeln (2) vom Laufrad (1) gelöst werden kann.

Description

Laufrad einer hydraulischen Maschine
Die gegenständliche Anmeldung betrifft ein Laufrad einer hydraulischen Maschine, vorzugsweise vom Überdrucktyp, wie z.B. eine Francis-Turbine, Francis-Pumpturbine oder Radial- bzw. Diagonalpumpe, mit einer Anzahl von Laufradschaufeln, wobei zumindest eine Laufradschaufel geteilt ausgeführt ist und zumindest zwei Laufradschaufelteile voneinander lösbar angeordnet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Laufrades.
Ein Laufrad einer hydraulischen Maschine, wie z.B. eine Francis-Turbine oder -Pumpturbine, weist eine Mehrzahl von Laufradschaufeln auf, wobei jeweils zwei Schaufeln einen Strömungskanal für ein Betriebsmedium, z.B. Wasser, ausbilden, durch den das Betriebsmedium im Betrieb der hydraulischen Maschine fließt und so den Läufer in Rotation versetzt. Die Fertigung eines solchen Läufers ist aufgrund der komplexen geometrischen Formen der Laufradschaufeln sehr aufwendig. Um die Fertigung des Läufers, z.B. durch Schweißen, etc., und/oder eine entsprechende Bearbeitung der Oberflächen, z.B. durch Schleifen, Polieren, etc., mittels Bearbeitungsmaschinen, wie z.B. Robotern, etc., zu ermöglichen, dürfen die Laufradschaufeln nicht zu knapp aneinander liegen. Darüber hinaus besteht bei eng benachbarten Schaufelregionen immer die Gefahr, dass Schwemmgut im Laufrad stecken bleibt und somit den Betrieb beeinträchtigt, oder sogar die Abschaltung der hydraulischen Maschine notwendig macht. Andererseits ist im Bereich der Austrittskante (=Eintrittskante bei einer Pumpturbine im Pumpbetrieb) der Laufradschaufeln ein kleiner Radius an der inneren Deckscheibe erwünscht, da dies für den Betrieb, vor allem in Betriebspunkten abseits des Auslegebetriebspunktes, von Vorteil ist. Bei kleinem Radius würde sich beispielsweise die Wirbelbildung am Austritt der Laufrades in Teillastbereichen wesentlich verbessern. Viele Laufräder weisen auch eine Laufradhaube auf, um die Strömung nach dem Austritt aus der Laufradschaufel kontrolliert weiterführen zu können, die bei solchen kleinen Radien jedoch eine Montage des Laufrades an der Welle erschweren oder gar unmöglich machen würde. Am Laufradaustritt führt eine hohe Schaufelzahl und kleine Durchmesser zu sehr engen Platzverhältnissen. Eine kleine Schaufelzahl führt andererseits am Laufradeintritt zu weiten Abständen und einer hohen Belastung und Kavitation am Laufradeintritt.
Um diesen grundsätzlichen Widerspruch zu beseitigen, wurden Laufräder z.B. derart gefertigt, dass jede zweite oder dritte Schaufel im gesamten Austrittsbereich der Laufradschaufeln kürzer als die benachbarten Laufradschaufeln ausgeführt wurde, sogenannte „splitter blade runner", und die Laufradschaufeln im Eintrittsbereich allesamt gleich belassen wurden. Der Vorteil dieser Ausführung ist der, dass damit im Austrittsbereich mehr Platz geschaffen wurde, womit die obigen Nachteile im Wesentlichen beseitigt waren. Allerdings erhöht sich dabei die Kavitationsgefahr im Bereich der äußeren Deckscheibe zwischen Schaufelmitte und Austrittskante, da sich dort aufgrund der teilweise reduzierten Schaufellängen die Schaufelbelastungen erhöhen.
Aus der US 6,135,716 wiederum ist ein Läufer einer Francis-Turbine bekannt, bei dem das Kavitationsverhalten verbessert wurde, indem die Eintritts- und die Austrittskanten der Laufradschaufeln bezüglich der Rotationsachse der Turbine besonders geformt werden. Die Längen aller Laufradschaufeln werden dabei gleich belassen, entsprechen somit einem herkömmlichen Laufrad. Damit ergeben sich jedoch wieder die oben angeführten Nachteile in Bezug auf die Fertigung und Betrieb abseits der Auslegung.
Der DE 19803 390 C1 zeigt ein Laufrad, das aus mehreren Einzellaufrädern besteht, um ein besonders anpassungsfähiges Laufrad zu erhalten, das für einen sehr breiten Bereich von Betriebsbedingungen einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielt. Ein solches Laufrad bedingt aber einen sehr hohen Fertigungsaufwand.
Die Fertigung von Laufrädern kann unter Umständen vereinfacht werden, indem das Laufrad und/oder die Laufradschaufeln aus mehreren Einzelteilen zusammengesetzt wird. Beispiele dafür finden sich in der DE 1944 360 A oder der US 6, 155,783 A.
Bei all diesen Varianten bleibt jedoch das Problem der Befestigung bzw. Montage des Laufrades bei Laufrädern mit Laufradschaufeln die sehr nahe an die Drehachse der hydraul- ischen Maschine herangeführt werden, was ja den Betrieb der hydraulischen Maschine in Teillastbereichen verbessert, erhalten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung ist es daher, ein Laufrad einer hydraulischen Maschine anzugeben, das auch bei sehr kleinen Laufradschaufeldurchmessern im Bereich der inneren Deckscheibe eine einfache Montage des Laufrades ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch die gegenständliche Erfindung gelöst, indem zumindest ein Teil der Laufradschaufel an einer vom Laufrad lösbaren Laufradhaube angeordnet ist. Durch die Teilung der Laufradschaufel ist es nun möglich einen Teil der Laufradschaufel vom Rest des Laufrades zu lösen und damit die Verbindung zwischen Laufrad und Welle zugänglich zu machen. Damit können aber auch sehr kleine Laufradschaufeldurchmesser ohne Einschränkungen verwirklicht werden.
Die Laufradhaube eignet sich ganz besonders gut zur Aufnahme zumindest eines Teil der Laufradschaufeln, da diese in Regel vom Laufrad lösbar ausgeführt ist, um die Montage zu erleichtern. Außerdem ist die Laufradhaube ein im Vergleich zum restlichen Laufrad kompakter und einfach handzuhabender Bauteil, sodass die Montage des Laufrades mit den geteilten Laufradschaufeln einfach bewerkstelligt werden kann.
Dazu ist es auch günstig die Laufradhaube mittels eines Verbindungsmittel direkt mit der
Laufradnabe lösbar zu verbinden, was ebenfalls die Montage erleichtert.
Ein besonders einfach zu fertigendes Laufrad erhält man, wenn die Laufradschaufel zweigeteilt ausgeführt ist. Damit kann das Laufrad einfach zusammengesetzt werden.
Um das Betriebsverhalten einer geteilten Laufradschaufel zu verbessern, ist es günstig die einzelnen Teile der Laufradschaufel miteinander zu verbinden. Dadurch kann das Schwingverhalten der Laufradschaufel durch Erhöhung der Stabilität wesentlich verbessert werden.
Ein besonders vorteilhaftes Laufrad ergibt sich, wenn ein Kontaktpunkt zwischen innerer Deckscheibe und Eintrittskante und/oder ein Kontaktpunkt zwischen innerer Deckscheibe und Austrittskante zumindest einer ersten Laufradschaufel einen bezüglich der Drehachse der hydraulischen Maschine größeren Radius aufweist wie die entsprechenden Kontaktpunkte einer unmittelbar benachbarten zweiten Laufradschaufel, wobei die Kontaktpunkte zwischen äußerer Deckscheibe und Ein- und Austrittskante der ersten und zweiten Laufradschaufel im Wesentlichen den selben Radius aufweisen.
Damit gelingt es zum Einen, im Austrittsbereich des Laufrades an der inneren Deckscheibe sehr kleine Radien zu realisieren, ohne Fertigungsprobleme oder Probleme durch eine zu enge Schaufelanordnung zu verursachen. Zum Anderen, wird die Belastung in den Bereichen hoher Schaufellast, also im Kontaktbereich der Schaufel mit der äußeren Deckscheibe nicht, bzw. nur unwesentlich vergrößert, da die Kontaktlängen in diesen Bereichen gegenüber herkömmlichen Laufrädern nicht verändert werden, sodass sich hinsichtlich der Kavitation keine Verschlechterung im Betrieb ergibt.
Hydraulisch und fertigungstechnisch ist es vorteilhaft, wenn die Eintritts- und Austrittskanten einer ersten und zweiten Laufradschaufel des Läufers zumindest abschnittsweise gleich geformt sind, wobei die Kanten vorzugsweise zwischen dem Kontaktpunkt an der äußeren Deckscheibe und einem beliebigen Punkt auf der Eintritts- bzw. Austrittskante gleich geformt sind.
Um die hydraulische Maschine auch in Teillastbereichen reibungslos betreiben zu können, wird das Verhältnis zwischen dem kleinsten Radius eines Kontaktpunktes der Austrittskante mit der inneren Deckscheibe einer Schaufel und dem Radius des Kontaktpunktes der Austrittskante mit der äußeren Deckscheibe dieser Schaufel kleiner oder gleich 0,4, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,2, vorgegeben. Damit erreicht man, dass der Austritts- wirbel aus dem Laufrad verringert wird und sich die hydraulischen Maschine auch in Teillastbereichen einwandfrei betreiben lässt.
Die Anzahl der Laufradschaufeln des Laufrades wird vorteilhaft durch zwei oder drei teilbar gewählt, wobei dann jede zweite oder dritte Laufradschaufel unterschiedliche Ein- und/oder Austrittskanten aufweist, wodurch sich zumindest im Bereich kleiner Radien große fertigungstechnische Vorteile ergeben, da dadurch die einzelnen Laufradschaufeln problemlos bearbeitbar sind.
Aus hydraulischen Gründen ist es günstig, den Kontaktpunkt zwischen Austrittskante und innerer Deckscheibe zumindest einer Schaufel in axialer Richtung unterhalb der Mitte der Eintrittskante dieser Schaufel und bezüglich der Drehrichtung des Laufrades die Kontaktpunkte der Ein- und Austrittskante mit der äußeren Deckscheibe zumindest einer Schaufel vor den entsprechenden Kontaktpunkten der Ein- und Austrittskante mit der inneren Deckscheibe dieser Schaufel anzuordnen. Zusätzliche Verbesserungen des hydraulischen Verhaltens der Maschine ergeben sich, wenn bezüglich der Drehachse des Laufrades der radiale Abstand zwischen den Kontaktpunkten der Austrittskante mit der äußeren und inneren Deckscheibe zumindest einer Schaufel größer als der radiale Abstand zwischen den Kontaktpunkten der Eintrittskante mit der äußeren und inneren Deckscheibe dieser Schaufel ist, vorteilhaft größer 10°, vorzugsweise größer 15°. Unter anderem kann damit das Kavitationsverhalten der hydraulischen Maschine noch weiter verbessert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der folgenden schematischen, nicht einschränkenden Figuren 1 bis 4 beschrieben, wobei die
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Laufrad,
Fig. 2 eine Laufradschaufel eines herkömmlichen Laufrades einer hydraulischen Maschine, Fig. 3 Laufradschaufeln einer hydraulischen Maschine mit unterschiedlichen Ein- bzw.
Austrittskanten und Fig. 4 ein Ansicht in axialer Richtung einer Laufradschaufel
zeigt.
Ein Laufrad 1 einer Überdruckturbine, wie z.B. eine Francis-Turbine oder -Pumpturbine, ist in der Regel wie in Fig. 1 dargestellt über eine Laufradnabe 9 mittels einem geeigneten Befestigungsmittel 8, hier z.B. eine Schraubenverbindung, mit der Welle 7 verbunden, sodass die Drehbewegung des Laufrades 1 auf die Welle 7 übertragen wird, oder umgekehrt bei einer Pumpturbine im Pumpbetrieb. Das Laufrad 1 weist außerdem eine innere 3 und äußere Deckscheibe 6 auf, zwischen denen zumindest teilweise die Laufradschaufeln 2 angeordnet sind. Die Laufradschaufeln 2 können dabei mit einer beliebigen Methode, in der Praxis oftmals durch Schweißen, an den Deckscheiben 3, 6 befestigt werden, könnten aber genauso als ein Teil gegossen werden.
In Verlängerung der Laufradnabe 9 ist eine Laufradhaube 10 angeordnet, an der ein Teil der Laufradschaufel 2a befestigt ist, z.B. wieder durch Schweißen. Gleichfalls könnte die Laufradhaube 10 mit dem Laufradschaufelteil 2a als ein Teil gegossen werden. Die Laufradschaufel 2 ist hier also zweigeteilt, wobei die beiden Teile voneinander lösbar sind. Dazu ist ein Verbindungsmittel 11 vorgesehen, hier z.B. Senkschrauben, mit dem die Laufradnabe 9 mit der Laufradhaube 10 lösbar verbunden werden kann. Damit ist es möglich einen Teil der Laufradschaufel 2a mit der Laufradhaube 10 vom restlichen Laufrad abzunehmen, wodurch die Zugänglichkeit im axialen Bereich des Laufrades 1, z.B. zur Laufradbefestigung 8, verbessert wird. Selbstverständlich wäre auch jede andere Verbindung zwischen Laufrad- haube 10 bzw. Laufrad 1 und Laufradnabe 9 denkbar. Die Ansicht Y der Fig. 1 zeigt die Laufradhaube 10 in einer axialen Ansicht, wobei in diesem Beispiel alle Laufradschaufeln 2 geteilt ausgeführt sind, was, wie weiter unten noch beschrieben wird, jedoch nicht notwendiger Weise der Fall sein muss. Der Schnitt X - X durch die Verbindungslinie der Laufradschaufelteile der Fig. 1 zeigt, dass die einzelnen Teile durch ein geeignetes Verbindungsmittel 12, wie hier z.B. Senkschrauben, auch entlang der Verbindungslinie miteinander verbunden werden können, was das Betriebsverhalten der Laufradschaufeln 2, vor allem hinsichtlich Schwingungsverhalten und Stabilität, verbessert.
Selbstverständlich könnten anstelle von Senkschrauben 11 , 12 auch beliebige andere geeignete Verbindungsmittel zur Anwendung kommen.
Eine herkömmliche Laufradschaufel 2 einer hydraulischen Maschine nach Fig. 2 ist zwischen einer inneren 3 und äußeren Deckscheibe 6 angeordnet und weist eine Eintritts- 4 und eine Austrittskante 5 auf, die an den vier Kontaktpunkten A, B, C und D die innere 3 und äußere Deckscheibe 6 schneiden.
Benachbarte Laufradschaufeln 1 bilden einen Strömungskanal, der vom Betriebsmedium, beispielsweise Wasser, durchströmbar ist. Für eine hydraulischen Maschine ergäbe sich eine Strömung von der Eintrittskante 4, z.B. von einem hier nicht dargestellten, hinlänglich bekannten Spiralgehäuse und einem Leitapparat, zur Austrittskante 5 und weiter zu einem hier ebenfalls nicht dargestellten, hinlänglich bekannten Saugrohr, welches in ein Unterwasser mündet. Für eine Pumpe oder Pump-Turbine im Pumpbetrieb würde sich die Strömungsrichtung entsprechend umkehren, hier also von Austrittskante 5 zur Eintrittskante 3. Durch die Strömung des Betriebsmediums wird das Laufrad 1 in Rotation gesetzt (bei einer Turbine) bzw. durch die Rotation des Laufrades 1 wird Betriebsmedium gefördert (bei einer Pumpturbine in Pumpbetrieb). Die Drehachse der Turbine ist durch die strichpunktierte Linie angedeutet.
Die Laufradschaufel 1 ist in den meisten Fällen nicht eben, sondern kann grundsätzlich eine beliebige räumliche Krümmung aufweisen, wie in Fig. 4 angedeutet, in der eine Ansicht einer Laufradschaufel 2 in axialer Richtung der Drehachse dargestellt ist. Man erkennt, dass die Kontaktpunkte C (bzw. G), D der Eintrittskante 4 (bzw. 4a) an der inneren Deckscheibe 3 und an der äußeren Deckscheibe 6 bezüglich der Drehachse der Turbine einen zirkumferentialen Abstand φE aufweisen können, also bezogen auf die axiale Richtung der Drehachse nicht auf einer radialen Linie durch die Drehachse zu liegen kommen, sondern in einem bestimmten Winkel zueinander angeordnet sind. Das Gleiche kann natürlich auch für die Kontaktpunkte B (bzw. F), A der Austrittskante 5 (bzw. 5a) an der inneren 3 und äußeren Deckscheibe 6 gelten, wo ein zirkumferentialer Abstand φA vorgesehen werden kann. Für das Kavitationsverhalten der Turbine ist dabei günstig, wenn dieser zirkumferentiale Abstand φA der Kontaktpunkte B (bzw. F), A der Austrittskante 5 (bzw. 5a) größer wie der radiale Abstand φE der Kontaktpunkte C (bzw. G), D der Eintrittskante 4 (bzw. 4a) gewählt wird. Ein bevorzugter Wert für φA ist dabei 15° oder größer.
Außerdem erkennt man in Fig.4, dass die Kontaktpunkte D, A an der äußeren Deckscheibe 6 in Drehrichtung gesehen vor den entsprechenden Kontaktpunkten B (bzw. F), C (bzw. G) an der inneren Deckscheibe angeordnet sind.
In Fig. 3 ist nun schematisch ein Laufrad 1 dargestellt dessen Laufradschaufeln 1 wieder zwischen einer inneren 3 und äußeren Deckscheibe 6 angeordnet sind und wieder einen Strömungskanal für das Betriebsmedium bilden.
Bei diesem Laufrad 1 sind nun jedoch die Eintrittskante 4 und die Austrittskante 5 jeder zweiten oder dritten Laufradschaufel 2 bezogen auf die Drehachse der Turbine teilweise nach außen gezogen (bzw. nach innen gezogen, je nach Sichtweise). D.h., dass nach wie vor ein Teil der Laufradschaufeln 2 herkömmlich, wie in Fig. 1 beschrieben, begrenzt werden, also von einer Eintrittskante 4 zwischen den Kontaktpunkten C und D, einer Austrittskante 5 zwischen den Kontaktpunkten A und B, sowie der inneren 3 und äußeren Deckscheibe 6. Jede zweite oder dritte Laufradschaufel 2 weicht von dieser Begrenzung ab. Die Eintrittskante 4 zweier benachbarter Laufradschaufeln 2, 2' verläuft ausgehend vom Kontaktpunkt D zwischen Eintrittskante 4 und äußerer Deckscheibe 6 bis zu einem beliebigen Punkt H auf der Eintrittskante 4 gleich, ab diesem Punkt H ist die Eintrittskante 4a bezüglich der Drehachse nach außen gezogen, d.h. dass der Kontaktpunkt G der Eintrittskante 4a der Laufradschaufel 2 an der inneren Deckscheiben 3 einen größeren Radius aufweist, wie der entsprechende Kontaktpunkt C der benachbarten Laufradschaufel 2'. An der Austrittskante 5 gilt das oben gesagte analog. Die Austrittskanten 5 der unmittelbar benachbarten Laufradschaufeln 2, 2' decken sich im Wesentlichen zwischen einem Kontaktpunkt A an der äußeren Deckscheibe 6 und einem beliebigen Punkt E auf der Austrittskante 5. Ausgehend von diesem Punkt E ist die Austrittskante 5a jeder zweiten oder dritten Laufradschaufel 2 nach außen gezogen (bzw. nach innen gezogen, je nach Sichtweise), d.h. dass der Kontaktpunkt B der Austrittskante 5a der Laufradschaufel 2 an der inneren Deckscheibe 3 einen größeren Radius aufweist, wie der entsprechende Kontaktpunkt F der benachbarten Laufradschaufel 2'.
Die Begrenzung eines Teiles der Laufradschaufeln 2 verläuft somit zwischen den Kontakt- punkten C und D, die die Eintrittskante 4 bilden, sowie den Kontaktpunkten A und B, die die Austrittskante 5 bilden, wie bei herkömmlichen Schaufeln, und die Begrenzung jeder zweiten oder dritten Laufradschaufel 2' verläuft zwischen den Punkten D, H und G, die die Eintrittskante 4a bilden und den Punkten A, E und F, die die Austrittskante 5a bilden.
Die obige Beschreibung ist selbstverständlich lediglich beispielhaft. Es wäre natürlich auch denkbar, nur die Eintrittskante 4 oder nur die Austrittskante 5 oder Ein- 4 und Austrittskante 5 abwechselnd abschnittsweise nach außen zu ziehen.
Die Punkte E und H können darüber hinaus an einer beliebigen Position auf der Austritts- 5 bzw. Eintrittskante 4 angeordnet sein, insbesondere könnten diese Punkte E und H in einer erfindungsgemäßen Ausführung auch mit den Kontaktpunkten A und D an der äußeren Deckscheibe 6 zusammenfallen.
Durch diese abwechselnd unterschiedlich verlaufenden Austrittskanten 5, 5a können die Laufradschaufeln 2, 2' sehr nahe an die Drehachse der Turbine herangebracht werden, d.h. dass die Kontaktpunkte F der Austrittskanten 5 an der inneren Deckscheibe 3 sehr kleine Durchmesser aufweisen können. Insbesondere lässt sich ein Radiusverhältnis rF/rA an der Austrittskante 5 von kleiner oder gleich 0.2 erzielen, was bisher problematisch, wenn überhaupt möglich, war.
Wird die Austrittskante 5 im Bereich der inneren Deckscheibe 3 sehr nahe an die Drehachse herangeführt, kann es unter Umständen zu Platzproblemen mit der Befestigung des Laufrades 1 an der Welle 7 kommen. Um dieses Problem zu lösen, könnte man z.B., wie zu Fig. 1 bereits beschrieben, zumindest die Laufradschaufeln 2' die nahe an die Drehachse heranreichen zweiteilen und den Laufradschaufelteil der durch die Punkte E, F, B markiert ist auf der Laufradhaube 10 anordnen. Es könnte natürlich die Laufradschaufel 2 auch an jeder anderen beliebigen Stelle geteilt werden, was den erfinderischen Charakter nicht verändern würde. Erst nach der Montage des Laufrades 1 würde dann die Laufradschaufeln 2 komplett ausgebildet sein. Um die Montage zu erleichtern, wäre es auch denkbar an der Laufrad- haube 10 und/oder an der Laufradnabe 9 Zentrierungshilfen, wie z.B. eine Nut und ein Keil oder ähnliches, vorzusehen.
Wäre beispielsweise nur jede zweite Laufradschaufel 2, wie oben beschrieben, in Richtung der Drehachse verlängert, z.B. um den Laufradschaufelteil zwischen den Punkten E, F und B, so könnte es auch ausreichen, nur diese verlängerten Laufradschaufel 2 zu teilen, wodurch die Laufradhaube 10 einfacher gefertigt werden könnte.

Claims

Patentansprüche
1. Laufrad einer hydraulischen Maschine, vorzugsweise vom Überdrucktyp, wie z.B. eine Francis-Turbine, Francis-Pumpturbine oder Radial- bzw. Diagonalpumpe, mit einer Anzahl von Laufradschaufeln (2), wobei zumindest eine Laufradschaufel (2) geteilt ausgeführt ist und zumindest zwei Laufradschaufelteile (2, 2a) voneinander lösbar angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil (2a) der Laufradschaufel an einer vom Laufrad (1) lösbaren Laufradhaube (10) angeordnet ist.
2. Laufrad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufel (2) zweigeteilt ausgeführt ist.
3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsmittel (11 ) vorgesehen ist, mit dem die Laufradhaube (10) mit einer Laufradnabe (9) lösbar verbindbar ist.
4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verbindungsmittel (12) vorgesehen ist, mit dem zumindest zwei Teile der Laufradschaufel (2, 2a), vorzugsweise lösbar, miteinander verbindbar sind.
5. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktpunkt (G) zwischen einer inneren Deckscheibe (3) und einer Eintrittskante (4a) und/oder ein Kontaktpunkt (B) zwischen innerer Deckscheibe (3) und einer Austrittskante (5a) zumindest einer ersten Laufradschaufel (2) einen bezüglich der Drehachse der hydraulischen Maschine größeren Radius aufweist wie die entsprechenden Kontaktpunkte (F, C) einer unmittelbar benachbarten zweiten Laufradschaufel (2'), wobei die Kontaktpunkte (A, D) zwischen äußerer Deckscheibe (6) und Ein- und Austrittskante (4, 5) der ersten und zweiten Laufradschaufel (2, 2') im Wesentlichen den selben Radius aufweisen.
6. Laufrad nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanten (4, 4a) der ersten und zweiten Laufradschaufel (2, 2') des Laufrades (1 ) zumindest abschnittsweise unterschiedlich verlaufend geformt sind.
7. Laufrad nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittskanten (4, 4a) der ersten und zweiten Laufradschaufel (2, 2') des Laufrades (1 ) zwischen dem Kontaktpunkt (D) der Eintrittskante (4, 4a) an der äußeren Deckscheibe (6) und einem vorbestimmbaren Punkt (H) auf der Eintrittskante (4, 4a) im Wesentlichen gleich verlaufend geformt sind.
8. Laufrad nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanten (5, 5a) der ersten und zweiten Laufradschaufel (2, 2') des Laufrades (1 ) zumindest abschnittsweise unterschiedlich verlaufend geformt sind.
9. Laufrad nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittskanten (5, 5a) der ersten und zweiten Laufradschaufel (2, 2') des Laufrades (1 ) zwischen dem Kontaktpunkt (A) der Austrittskante (5, 5a) an der äußeren Deckscheibe (6) und einem vorbestimmbaren Punkt (E) auf der Austrittskante (5, 5a) im Wesentlichen gleich verlaufend geformt sind.
*
10. Laufrad nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen dem kleinsten Radius rF eines Kontaktpunktes (F) der Austrittskante (5) mit der inneren Deckscheibe (3) einer Laufradschaufel (2, 2') und dem Radius rA des
Kontaktpunktes (A) der Austrittskante (5) mit der äußeren Deckscheibe (6) dieser Laufradschaufel (2, 2') kleiner oder gleich 0,4, vorzugsweise kleiner oder gleich 0,2, ist.
11. Laufrad nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Laufradschaufeln (2, 2') des Laufrades (1 ) durch zwei oder drei teilbar ist.
12. Laufrad nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer durch zwei teilbaren Anzahl von Laufradschaufeln (2, 2') die Austrittskante (5) und/oder die Eintrittskante (4) jeder zweiten Laufradschaufel (2') einen Kontaktpunkt (F) an der inneren Deckscheibe (3) mit einem bezüglich der Drehachse des Laufrades (1 ) kleineren Radius als der entsprechende Kontaktpunkt (B) der benachbarten Laufradschaufel (2) aufweist.
13. Laufrad nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einer durch drei teilbaren Anzahl von Laufradschaufeln (2, 2') die Austrittskante (5) und/oder die Eintrittskante (4) eines Drittels der Laufradschaufeln (2, 2') einen Kontaktpunkt (F) an der inneren Deckscheibe (3) mit einem bezüglich der Drehachse des Laufrades (1 ) kleineren Radius als die entsprechenden Kontaktpunkte (B) der benachbarten Laufradschaufeln (2) aufweisen.
14. Laufrad nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktpunkt (F, B) zwischen Austrittskante (5, 5a) und innerer Deckscheibe (3) zumindest einer Laufradschaufel (2, 2') in axialer Richtung unterhalb der Mitte der Eintrittskante (4, 4a) dieser Laufradschaufel (2, 2') angeordnet ist.
15. Laufrad nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass be- züglich der Drehrichtung des Laufrades (1) die Kontaktpunkte (A, D) der Ein- und
Austrittskante (4, 4a, 5, 5a) an der äußeren Deckscheibe (6) zumindest einer Laufradschaufel (2, 2') vor den entsprechenden Kontaktpunkten (B, C, F, G) der Ein- und Austritts- kante (4, 4a, 5, 5a) an der inneren Deckscheibe (3) dieser Laufradschaufel (2, 2') angeordnet sind.
16. Laufrad nach einem der Ansprüche 5 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Drehachse des Laufrades (1) der zirkumferentiale Abstand ΦA zwischen den Kontaktpunkten (A, B, F) der Austrittskante (5, 5a) an der äußeren (6) und inneren Deckscheibe (3) zumindest einer Laufradschaufel (2, 2') größer als der zirkumferentiale Abstand ΦE zwischen den Kontaktpunkten (D, C, G) der Eintrittskante (4, 4a) an der äußeren (6) und inneren Deckscheibe (3) dieser Laufradschaufel (2, 2') ist.
17. Laufrad nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zirkumferentiale Abstand ΦA zwischen den Kontaktpunkten (A, B, F) der Austrittskante (5, 5a) an der äußeren (6) und inneren Deckscheibe (3) zumindest einer Laufradschaufel (2, 2') größer 10°, vorzugsweise größer 15°, ist.
18. Verfahren zur Herstellung eines Laufrades (1) einer hydraulischen Maschine, vorzugsweise vom Überdrucktyp, wie z.B. eine Francis-Turbine, Francis-Pumpturbine oder Radial- bzw. Diagonalpumpe, mit einer Anzahl von Laufradschaufeln (2), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil (2a) zumindest einer Laufradschaufel (2) an einer Laufradhaube (10) befestigt wird, zumindest ein weiterer Teil dieser Laufradschaufel (2) an einer Laufradnabe (9) befestigt wird und im Anschluss daran die Laufradhaube (10) mit der Laufradnabe (9), vorzugsweise lösbar, verbunden wird, sodass die einzelnen Laufradschaufelteile eine im Wesentlichen durchgängige Laufradschaufel (2) ausbilden.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Laufradschaufelteile, vorzugsweise lösbar, miteinander verbunden werden.
20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufradschaufelteile vorab als Einzelteile gefertigt werden und im Anschluss daran mit der Laufrad- haube (10) bzw. Laufradnabe (9) verschweißt werden.
21. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Laufradschaufelteile mit der Laufradhaube (10) bzw. Laufradnabe (9) als ein Teil gegossen werden und gegebenenfalls im Anschluss daran mit einem Oberflächenbearbeitungsverfahren, wie, z.B. Schleifen oder Polieren, bearbeitet werden.
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