WO1999039096A1 - Laufrad für eine strömungsmaschine, insbesondere für eine wasserturbine - Google Patents

Laufrad für eine strömungsmaschine, insbesondere für eine wasserturbine Download PDF

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WO1999039096A1
WO1999039096A1 PCT/EP1999/000277 EP9900277W WO9939096A1 WO 1999039096 A1 WO1999039096 A1 WO 1999039096A1 EP 9900277 W EP9900277 W EP 9900277W WO 9939096 A1 WO9939096 A1 WO 9939096A1
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WO
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blades
partial
impellers
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PCT/EP1999/000277
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Inventor
Günter JACOBY
Jörg-Peter ALBRECHT
Frank Simon
Original Assignee
Voith Hydro Gmbh & Co. Kg
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F01D5/043—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type
    • F01D5/045—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines of the axial inlet- radial outlet, or vice versa, type the wheel comprising two adjacent bladed wheel portions, e.g. with interengaging blades for damping vibrations
    • 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
    • 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
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/14—Rotors having adjustable blades
    • 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

  • Impeller for a turbomachine in particular for a water turbine
  • the invention relates to a turbomachine for incompressible but also compressible media, in particular a water turbine, pump turbine or
  • DE 197 41 992 A1 shows and describes a water turbine in which means are provided in order to enable the speed profile to be optimized for various operating states of the machine. For this purpose, means are provided there with which the state of flow in the outflow channel can be influenced. This makes it possible to better adapt the machine to different operating conditions.
  • the invention is based on the object of specifying measures with which it becomes even more possible to optimally utilize a wide range of head heights and / or throughputs with one machine and thus to maximize the efficiency under different operating conditions. This object is solved by the features of claim 1.
  • the impeller is divided into two or more partial impellers.
  • the individual blades are divided by one or more parting lines, which are separated from the
  • the parting lines run essentially transversely to the direction of flow. If the parting line is located in the area of the leading edge of the moving blade in question, it can also run parallel to the leading edge. If it is in the area of the outlet edge, it will generally be essentially parallel to
  • the rotor of that publication is a disk-shaped base body.
  • the blades are not spatially curved.
  • the blades can also be subdivided several times, for example by two joints in three sub-blades.
  • the individual partial blades can be the same size or different sizes. For example, it is conceivable to lay the parting line in such a way that a relatively small leading blade and a relatively large main blade are created.
  • a necessary feature of the invention is that not only the blades are divided into partial blades, but also the impeller base and the impeller ring. As is generally known, these two each essentially represent a ring. The subdivision of these two components is carried out in such a way that partial rings are formed. Each sub ring is with the
  • Partial blades firmly connected.
  • the result is a unit, each comprising the partial blades, an annular impeller base part and an annular impeller ring part, thus practically an independent impeller.
  • These units can be rotated against each other.
  • a lead wheel can be moved by a certain amount from the main impeller and thereby influence the operating behavior of the turbine in a targeted manner.
  • a partial bucket wheel can be made interchangeable. In the event of wear, it can be removed and a new partial impeller installed. Such an exchange comes into consideration particularly in the case of the partial impeller that is flown to first.
  • the individual partial impellers can also consist of different materials.
  • the first impeller to which the air flows can be made from a particularly resistant material.
  • the individual partial impellers can have different blade numbers.
  • the outer impeller which has the first flow, in the radial direction, with a large number of blades, for example with 21 blades, a medium-sized impeller with fewer blades, for example 14 blades, and the radially inner partial impeller with even fewer blades , for example with 7 blades.
  • the joints between two part wheels are generally veriaaufen transversely to the direction of flow, namely from the impeller bottom to the impeller rim.
  • Fig. 1 shows a Francis turbine in a meridian section.
  • Fig. 2 shows a highly schematic view, again in one
  • 3a, 3b, 3c and 3d show in a highly schematic view two blades and the impeller ring of an impeller in a developed view in different functional positions.
  • FIG. 3a both the leading wheel and the trailing wheel are closed.
  • Fig. 3b the leading wheel is open, but the trailing wheel is closed.
  • Fig. 3c the leading wheel is closed, but the trailing wheel is open.
  • Fig. 3d both the leading wheel and the trailing wheel are open.
  • Fig. 4 shows a detail of the subject of Figure 1 greatly enlarged, in the region of the parting line.
  • 5a and 5b show a highly schematic view, again in a meridian section, of an impeller of a Francis turbine in different variants.
  • Fig. 6 again shows schematically in a meridian section a Francis turbine with two part-wheels.
  • Fig. 7 shows the object of Figure 6 in an axial section.
  • Fig. 8 is a sectional view through a divided blade with an inflatable partial blade.
  • Fig. 9 shows an axial section through a Francis turbine with three partial impellers, in which the number of blades decreases from impeller to impeller from the outside inwards.
  • the Francis turbine shown in FIG. 1 has an impeller 1, a housing 2, a guide device 3 and a shaft 4 as main elements.
  • the impeller comprises an impeller base 1.1, an impeller rim 1.2 and a plurality of blades 1.3. There is a between the so-called turbine cover 2J and the impeller base 1J
  • Wheel side space 5 and between the wheel rim 1.2 and the housing 2 there is a wheel side space 6.
  • the parting line 1.4 divides the individual blades 1.3 into front blades 1.3J and main blades 1.3.2. At the same time, it also separates a corresponding ring 1.1.1 and 1.2.1 from the wheel base 1 J or from the wheel rim 1.2. So that a unit is formed from leading blades 1.3.1, the annular impeller base part 1.1.1 and the annular impeller ring part 1.2.1.
  • a corresponding unit is formed from the main blades 1.3.2 and the remaining main part of the impeller base and the remaining main part of the impeller ring.
  • the units mentioned can be rotated relative to one another, specifically about the machine axis 4.1.
  • the impeller of a Francis turbine shown schematically in FIG. 2 in turn has the components mentioned, namely impeller base 1.1, impeller rim 1.2 and blades 1.3. As you can see, the blades are divided into three partial blades by two parting lines 1.4.1 and 1.4.2, namely in the partial blades 1.3.1, 1.3.2 and 1.3.3.
  • FIG. 3 of the partial blades mentioned shows the pivotability of the partial blades relative to one another about the machine axis 4J. When closed, the partial blades nestle against one another and thus form a unit, comparable to a conventional impeller.
  • FIG. 3a the lead wheel is closed.
  • the main blades and the leading blades lie snugly against each other.
  • the trailing wheel In contrast to this, the lead wheel is open in the configuration according to FIG. 3b, but that
  • both the leading wheel and the trailing wheel are open.
  • the gap width can be set specifically. When closed, the sub-components largely form a unit. If the flow is unfavorable in the closed state, the flow conditions can be improved by opening the profiles. The flow conditions at the leading edge and at the trailing edge can be controlled by the width of the gap 1.4 to a much greater extent than before.
  • the invention serves to adapt to different operating conditions.
  • the parting line 1.4 is very wide, i.e. there is a clear distance between the leading blade 1.3.1 and the main blade 1.3.2. As a result, the main blade 1.3.2 also forms an entry edge. The flow conditions of the leading edge can be adjusted at will by the width of the parting line.
  • FIG. 4 The detail shown in Figure 4 from Figure 1 again shows the leading blades 1.3.1, which are firmly connected to each other with the annular impeller base part 1.1.1.
  • the main blades can also be seen 1.3.2 with the also ring-shaped impeller base main part 1 J .2.
  • the two annular parts 1.1.1 and 1J .2 are axially and radially supported by means of a bearing 7 and can be rotated relative to one another about the machine axis 4J, which is not shown here.
  • Plain bearings are usually considered as bearings. Other types of storage are possible.
  • FIGS. 5a and 5b are similar to FIG. 2.
  • the impeller in FIG. 5a is provided with a lead wheel in which the cutting surface 1.4.1 only passes through the impeller base and part of the blades.
  • the impeller ring is undivided in FIG. 5a
  • the impeller is provided with a trailing wheel, in which the cutting surface 1.4.2 only passes through the impeller ring and part of the blades.
  • the impeller base 1 J is undivided and connected to part of the two-part impeller ring 1.2 via the impeller blades 1.3.2.
  • Other combinations of the subdivision of the leading wheel, impeller and trailing wheel as well as sub-different sub-areas are possible and useful.
  • FIGS. 6 and 7. Another interesting possibility is shown in FIGS. 6 and 7.
  • the blade shown there comprises a main blade 1.3.1 and a secondary blade 1.3.2.
  • the two blades are joined along a parting line 1.4.
  • the main blade 1.3.1 is firmly connected to an annular partial blade base and with an equally annular partial blade.
  • the secondary blade is connected to such rings from the bottom and the rim.
  • the secondary blade 1.3.2 is shown in the extended state, i.e. moved out of the body of the main blade 1.3.1.
  • the retracted position of the secondary blade 1.3.2 is indicated by dashed lines.
  • the blade 1.3 shown in FIG. 8 is again in three partial blades 1.3.1,
  • the partial blade 1.3.1 shown in section is hollow.
  • the interior has a pressure connection so that the blade can be inflated.
  • the contour in the inflated state is shown in dashed lines.
  • the number of partial blades decreases in the radial direction from the outside inwards.
  • the middle partial blades 1.3.2 are fewer in number than the outer partial blades 1.3.1, and the radially inner partial blades 1.3.3 are again smaller than the middle partial blades 1.3.2.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laufrad für eine Francisturbine; mit einer Mehrzahl von Schaufeln, die jeweils paarweise einen Strömungskanal miteinander bilden; mit einem Laufradboden; mit einem Laufradkranz. Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: die Schaufeln sind entlang einer oder mehrerer Trennfugen in wenigstens zwei Teilschaufeln unterteilt; Laufradboden und Laufradkranz sind ebenfalls entsprechend den Teilschaufeln in Ringe unterteilt, so daß Teillaufräder entstehen; die einzelnen Teillaufräder sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar.

Description

Laufrad für eine Strömungsmaschine, insbesondere für eine Wasserturbine
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 beschriften. Demgemäß wird das Laufrad in zwei oder mehrere Teillaufrader 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 Treπnfugen 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 Laufrad bodenteil sowie einen ringförmigen Laufrad kranzteil, 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 Teillaufrader 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 Teillaufrader 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 Teil lauf rädern werden im allgemeinen quer zur Strömungsrichtung veriaufen, 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 Figur 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-Lauf rädern.
Fig. 7 zeigt den Gegenstand von Figur 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 2J und dem Laufradboden 1 J 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 1.3J und Hauptschaufeln 1.3.2. Zugleich trennt sie aber auch einen entsprechenden Ring 1.1.1 sowie 1.2.1 vom Laufradboden 1 J bzw. vom Laufradkranz 1.2 ab. Damit ist eine Einheit gebildet aus Vorlaufschaufeln 1.3.1 , dem ringförmigen Laufrad bodenteil 1.1.1 und dem ringförmigen Laufrad kranzteil 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 Figur 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 Figur 3 gezeigte vergrößerte Draufsicht auf die genannten Teilschaufeln läßt die Verschwenkbarkeit der Teilschaufeln relativ zueinander um die Maschinenachse 4J 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 Figur 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 Figur 3b das Vorlaufrad geöffnet, aber das
Nachiaufrad geschlossen. Bei der Konfiguration gemäß Figur 3c hingegen ist 7
das Vorlaufrad geschlossen, während das Nachlaufrad geöffnet ist. Bei der Konfiguration gemäß Figur 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 Anstromung 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 Figur 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 Eiπtrittskante lassen sich durch die Weite der Trennfuge nach Belieben einstellen.
Die in Figur 4 dargestellte Einzelheit aus Figur 1 läßt wieder die Vorlaufschaufeln 1.3.1 erkennen, die fest miteinander verbunden sind mit dem ringförmigen Laufrad bodenteil 1.1.1. Man erkennt ferner die Hauptschaufeln 1.3.2 mit dem ebenfalls ringförmigen Laufradboden-Hauptteil 1 J .2. Die beiden ringförmigen Teile 1.1.1 und 1 J .2 sind mittels eines Lagers 7 axial und radial gelagert und relativ zueinander um die hier nicht dargestellte Maschinenachse 4J verdrehbar. Als Lager kommen üblicherweise Gleitlager in Betracht. Andere Lagerarten sind aber möglich.
Die Figuren 5a und 5b sind ähnlich Figur 2. Im Gegensatz zu Figur 2 ist jedoch bei Figur 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 Figur 5a ungeteilt, in Figur 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 J ist hierbei ungeteilt und über die Laufradschaufeln 1.3.2 mit einem Teil des zweiteiligen Laufrad kranzes 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 Figuren 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- Schaufel kränz. 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 1.4J , 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

10Patentansprüche
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 Teillaufrader entstehen;
1.6 die einzelnen Teillaufrader 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 Treπnfugen (1.4) in wenigstens zwei Teilschaufeln (1.3.1 , 1.3.2) unterteilt; 2.5 die einzelne Trennfuge (1.4) läuft vom Laufradboden (1 J) zum
Laufrad kränz (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
Teillaufrader entstehen; 2.7 die einzelnen Teillaufrader sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar. 11
3. Laufrad nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillaufrader gegeneinander verdrehbar sind.
4. Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillaufrader parallel zur Drehachse (4J) 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 Laufrades 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 Teillaufrader 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. 12
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 (1.3J , 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
Teillaufrader entstehen;
11.6 die einzelnen Teillaufrader 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;
13J 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 Teillaufrader entstehen; 13
13.6 die einzelnen Teillaufrader sind in ihren Positionen relativ zueinander verstellbar;
13.7 wenigstens einzelne Schaufeln sind zwecks Änderung von deren Kontur aufblasbar.
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