WO2013167286A2 - Kaplanturbine mit verstellbaren schaufelblättern - Google Patents

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    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a Kaplan turbine or other turbomachine with adjustable blades. See DE 3921 570 C2. Such
  • Kaplan turbine has a hub body carrying a number of blades with blade pins.
  • the blade pins are limited rotatable about their longitudinal axes to adjust the blades to a certain opening angle depending on the operating conditions.
  • DE 15 28 789 B describes a
  • Blade control for pump pumps
  • To adjust the blades usually serves an oil-hydraulic device with servomotors. In this case, an axial movement is converted into a rotating adjustment movement. It is also known to use an electric motor as a drive, which drives a spindle drive. The spindle drive is used to implement the
  • the known devices for adjusting the blades have numerous disadvantages. They take up a relatively large amount of space. To adjust relatively large forces are necessary. Often they are exposed to heavy wear.
  • the invention has for its object to design a Kaplan turbine with adjustable blades, in particular the Versteilantrieb, such that the wear in the course of operation is low, that only small forces are necessary for adjusting, and that only a small space is needed.
  • Diameter arranged in the hub body, and a second unit with a piston of relatively small diameter.
  • the invention is applicable to any type of liquid-operated
  • turbomachines Although the invention is particularly suitable for use with Kaplan turbines. However, other turbine types are also possible, such as propeller turbines, these are turbines in which the turbine blades can not be adjusted. In addition, the invention can be applied to Francis turbines and pump turbines as well as to water pumps in general.
  • Double blade can be moved relative to each other, preferably in the installed state.
  • the displacement can be made such that the distance is changed between the two sub-blades, or that the displacement is parallel to the large surfaces of the sub-blades, so that, for example, the positions of the leading edges are changed relative to each other.
  • FIG. 1 shows a Kaplan turbine with adjustable blades.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of an axial section of a Kaplan turbine, in particular the device for adjusting the blades.
  • FIG. 1 The machine shown in FIG. 1 is a Kaplan turbine. It can be seen a rotor with a shaft 1 and a number of blades 3.
  • the blades 3 are rotatably mounted on the shaft 1.
  • the axis of rotation 1.1 of the shaft 1 extends vertically.
  • the pivot axes of the blades 3 extend perpendicular thereto, thus horizontal.
  • Figure 2 shows in detail the following:
  • a hub 2 of a Kaplan turbine carries a number of blades 3 in the present case, in turn, there are two blades.
  • the hub 2 is supported by a hollow shaft 4.
  • an electric motor 5 as a drive.
  • Electric motor 5 drives a threaded spindle 6.
  • Threaded spindle 6 is supported by means of a thrust bearing 7.
  • the spindle nut 8 When rotating the threaded spindle 6, the spindle nut 8 is displaced in the axial direction - either towards the hub 2, or towards the electric motor 5.
  • Spindle nut 8 carries a piston 9 - hereinafter referred to as "second piston.”
  • Piston 9 is guided in a cylinder 10 - hereinafter referred to as "second cylinder”.
  • the second cylinder and thus also the second piston protrude into a first cylinder 11 into which a first piston 12 is located.
  • the first piston 12 is fixedly connected to a shaft 13.
  • Shaft 13 carries a so-called rule cross 20, with which the translational movement of the shaft 13 can be converted into a rotational movement. The rotation is done by
  • a compensation line 14 provides a conductive connection between the
  • the compensation line 14 is connected to the first cylinder 11 behind the first piston 12, that is, to the hub 2 near part of the interior of the first cylinder 11, and to the interior of the second
  • the second piston 9 has the function of a pressure buildup piston. It leads to an increase in pressure in the interior of the first cylinder 11, when it is displaced in the direction of the hub 2.
  • the pressure acts on the larger piston surface of the first piston 12 in the first cylinder 11. Due to the differences in the piston surfaces of the two pistons 9, there is an increase in pressure.
  • the equalization line 14 serves to direct the displaced fluid to the side which requires fluid. It is therefore a closed circuit.
  • the two cylinders are double-acting.
  • the second piston 9 can also dip into the interior of the first cylinder 11 without guidance through the second cylinder 10.
  • the second cylinder 10 thus only needs to extend to the drive-side end wall of the first cylinder 11. From there, the second piston 9 dives into the interior of the first cylinder 11. He acts as a so-called plunger.

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Description

Kaplanturbine mit verstellbaren Schaufelblättern
Die Erfindung betrifft eine Kaplanturbine oder eine sonstige Strömungsmaschine mit verstellbaren Schaufelblättern. Siehe DE 3921 570 C2. Eine solche
Kaplanturbine weist einen Nabenkörper auf, der eine Anzahl von Schaufelblättern mit Schaufelzapfen trägt. Die Schaufelzapfen sind um ihre Längsachsen begrenzt verdrehbar, um die Schaufelblätter je nach Betriebsbedingungen auf einem bestimmten Öffnungswinkel einzustellen. DE 15 28 789 B beschreibt eine
Laufschaufelregelung für Schöpfwerkpumpen.
Zum Verstellen der Schaufelblätter dient meist eine ölhydraulische Vorrichtung mit Servomotoren. Dabei wird eine Axialbewegung in eine drehende Verstellbewegung umgesetzt. Auch ist es bekannt, einen Elektromotor als Antrieb zu verwenden, der einen Spindeltrieb antreibt. Der Spindeltrieb dient zum Umsetzen der
Rotationsbewegung in eine axiale Stellbewegung der Schaufelblätter.
Die bekannten Vorrichtungen zum Verstellen der Schaufelblätter haben zahlreiche Nachteile. Sie nehmen relativ viel Bauraum ein. Zum Verstellen sind relativ große Kräfte notwendig. Häufig sind sie starkem Verschleiß ausgesetzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kaplanturbine mit verstellbaren Schaufelblättern, insbesondere den Versteilantrieb, derart zu gestalten, dass der Verschleiß im Verlaufe des Betriebes gering ist, dass nur geringe Kräfte zum Verstellen notwendig sind, und dass nur ein geringer Bauraum benötigt wird.
Diese Aufgabe wird mit einer Kaplanturbine beziehungsweise einem Versteilantrieb gemäß Anspruch 1 gelöst. Der Grundgedanke besteht darin, zwei Kolben-Zylinder-Einheiten miteinander zu kombinieren, nämlich eine erste Einheit mit einem Kolben relativ großen
Durchmessers, angeordnet im Nabenkörper, sowie eine zweite Einheit mit einem Kolben relativ kleinen Durchmessers.
Damit lassen sich folgende Vorteile erzielen: in Wasser betreibbar
mit Wasser betreibbar
- robust
verschleißarm
axiale Anordnung und damit gute Einbaumöglichkeit des Systems in der Hohlwelle der Turbine
geringe Kräfte auf Spindel und Spindelmutter wirkend
- geringes Antriebsmoment des E-Motors, und damit weniger Bauraum kompaktes System, kein Wasserhydraulik-Peripheriesystem mit Pumpe, Hydraulikleitung, Ventilen und Tank.
Die Erfindung lässt sich bei jeglicher Art von Flüssigkeits-betriebenen
Strömungsmaschinen einsetzen. Die Erfindung eignet sich zwar vor allem zum Einsatz bei Kaplanturbinen. Es kommen jedoch auch andere Turbinenarten in Betracht, wie beispielsweise Propellerturbinen, dies sind Turbinen, bei denen sich die Turbinenschaufeln nicht verstellen lassen. Außerdem lässt sich die Erfindung bei Francis-Turbinen und Pumpturbinen anwenden sowie bei Wasserpumpen allgemein.
Schließlich ist es denkbar, die beiden Teilschaufeln einer erfindungsgemäßen Doppelschaufel derart zu gestalten, dass die beiden Schaufelblätter einer
Doppelschaufel relativ zueinander verschoben werden können, vorzugsweise in eingebautem Zustand. Die Verschiebung kann derart erfolgen, dass der Abstand zwischen den beiden Teilschaufeln verändert wird, oder dass die Verschiebung parallel zu den Großflächen der Teilschaufeln erfolgt, so dass beispielsweise die Lagen der Eintrittskanten relativ zueinander verändert werden. Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt eine Kaplanturbine mit verstellbaren Schaufelblättern. Figur 2 zeigt in vergrößerter Darstellung in einem achssenkrechten Schnitt eine Kaplanturbine, insbesondere die Vorrichtung zum Verstellen der Schaufelblätter.
Bei der in Figur 1 gezeigten Maschine handelt es sich um eine Kaplanturbine. Man erkennt einen Rotor mit einer Welle 1 sowie eine Anzahl von Schaufelblättern 3.
Die Schaufelblätter 3 sind auf der Welle 1 drehbar gelagert. Die Drehachse 1.1 der Welle 1 verläuft vertikal. Die Schwenkachsen der Schaufelblätter 3 verlaufen senkrecht hierzu, somit horizontal. Figur 2 zeigt im Einzelnen folgendes:
Eine Nabe 2 einer Kaplanturbine trägt eine Anzahl von Schaufelblättern 3. Im vorliegenden Falle sind es wiederum zwei Schaufelblätter. Die Nabe 2 ist von einer Hohlwelle 4 getragen. In der Hohlwelle befindet sich ein Elektromotor 5 als Antrieb. Elektromotor 5 treibt eine Gewindespindel 6 an.
Gewindespindel 6 ist mittels eines Axiallagers 7 gelagert. Eine Spindelmutter 8 mit Innengewinde kämmt mit dem Gewinde der Gewindespindel 6. Bei Umlauf der Gewindespindel 6 wird Spindelmutter 8 in axialer Richtung verschoben - entweder zur Nabe 2 hin, oder zum Elektromotor 5 hin. Spindelmutter 8 trägt einen Kolben 9 - im Folgenden„zweiter Kolben" genannt. Kolben 9 ist in einem Zylinder 10 geführt - im Folgenden„zweiter Zylinder" genannt. Der zweite Zylinder und damit auch der zweite Kolben ragen in einen ersten Zylinder 11 hinein, in dem sich ein erster Kolben 12 befindet. Der erste Kolben 12 ist mit einem Schaft 13 fest verbunden. Schaft 13 trägt ein sogenanntes Regelkreuz 20, mit dem die translatorische Bewegung des Schaftes 13 in eine Drehbewegung umgesetzt werden kann. Die Drehbewegung erfolgt von
Antriebszapfen 3.1 der Schaufelblätter 3. Eine Ausgleichsleitung 14 stellt eine leitende Verbindung zwischen dem
Zylinderraum des ersten Zylinders 11 und dem Zylinderraum des zweiten Zylinders 10 her. Dabei ist die Ausgleichsleitung 14 an dem ersten Zylinder 11 hinter dem ersten Kolben 12 angeschlossen, das heißt an den der Nabe 2 nahen Teil des Innenraumes des ersten Zylinders 11, und an den Innenraum des zweiten
Zylinders 10 vor dem zweiten Kolben 9, das heißt auf der Seite des E-Motors 5.
Der zweite Kolben 9 hat die Funktion eines Druckaufbaukolbens. Er führt zu einer Druckerhöhung im Innenraum des ersten Zylinders 11, wenn er in Richtung der Nabe 2 verschoben wird. Der Druck wirkt auf die größere Kolbenfläche des ersten Kolbens 12 im ersten Zylinder 11. Aufgrund der Unterschiede der Kolbenflächen der beiden Kolben 9 findet eine Druckerhöhung statt. Die Ausgleichsleitung 14 dient dazu, das verdrängte Fluid zu jener Seite zu leiten, welche Fluid benötigt. Es handelt sich somit um einen geschlossenen Kreislauf. Die beiden Zylinder sind doppelt wirkend.
Der zweite Kolben 9 kann auch ohne Führung durch den zweiten Zylinder 10 in den Innenraum des ersten Zylinders 11 eintauchen. Der zweite Zylinder 10 braucht sich somit nur bis zur antriebsseitigen Stirnwand des ersten Zylinders 11 zu erstrecken. Von dort aus taucht der zweite Kolben 9 in den Innenraum des ersten Zylinders 11 ein. Er wirkt als sogenannter Plunger. Bezugszeichen liste
Welle
Drehachse
Nabe
Schaufelblätter
Antriebszapfen
Hohlwelle
E-Motor
Gewindespindel
Axiallager
Spindelmutter
zweiter Kolben
zweiter Zylinder
erster Zylinder
erster Kolben
Schaft
Ausgleichsleitung
Regel kreuz

Claims

Patentansprüche
1. Kaplanturbine oder sonstige Strömungsmaschine, umfassend die folgenden Merkmale beziehungsweise Bauteile:
1.1 eine Nabe (2), die eine Anzahl von Schaufelblättern (3) mit Antriebszapfen (3.1) trägt;
1.2 die Antriebszapfen (3.1) sind mittels eines Regelkreuzes (20) um ihre
Längsachse verdrehbar;
1.3 einen Schaft (13), dessen eines Ende am Regelkreuz angreift, und an
dessen anderem Ende eine hin- und hergehende Bewegung mittels eines
Antriebes (5) eingeleitet wird;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.4 das antriebsseitige Ende des Schaftes (13) weist einen ersten Kolben (12) größeren Durchmessers auf, der in einem ersten Zylinder (11) axial verschiebbar ist;
1.5 in den ersten Zylinder (11) taucht ein zweiter Kolben (9) kleineren
Durchmessers ein, der in einem zweiten Zylinder (10) geführt ist;
1.6 es ist eine Ausgleichsleitung (14) vorgesehen, die eine leitende Verbindung herstellt zwischen dem Innenraum des zweiten Zylinders (10) vor dem zweiten Kolben (9) und dem Innenraum des ersten Zylinders (11) nach dem ersten Kolben (12).
2. Kaplanturbine oder sonstige Strömungsmaschine nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
2.1 der Antrieb (5) weist einen E-Motor auf, eine vom E-Motor angetriebene Gewindespindel (6) und eine mit der Gewindespindel (6) kämmende, in Axialrichtung verschiebbare Spindelmutter (8), die mittelbar oder unmittelbar am zweiten Kolben (9) angreift.
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