CH362038A - Zulaufeinrichtung für Niederdruck-Kaplanturbinen - Google Patents

Description

      Zulaufeinrichtung    für     Niederdruck-Kaplanturbinen       Bei     Kaplanturbinen    wird die am Eintritt in die       Einlaufkammer    herrschende     gleichförmige    geradlinige  Strömung mittels einer     Leitvorrichtung    in eine Drall  strömung umgewandelt. Um dabei eine möglichst  stationäre relative Umströmung der     Laufradschaufeln     zu erhalten, sollte diese     Drallströmung    vor dem Ein  tritt in das Laufrad eine weitgehend vollständige     Ro-          tationssymmetric    aufweisen.

   Je stationärer     die    relative  Umströmung der     Laufradschaufeln    ist, umso     gleich-          mässiger    ist die Belastung bzw.     Beaufschlagung    aller  Schaufeln, umso ruhiger der Gang der     Turbine    und  umso besser der Wirkungsgrad bei relativ kleinen  Hauptabmessungen.  



  Die     Regulierung    des Dralls in Abhängigkeit von  der Leistung bzw. von der     Durchflussmenge    wird in  der Regel mittels verstellbarer     Leitschaufeln    eines  sogenannten     Fink'schen    Leitapparates erreicht.

   Da  diese     Leitschaufeln    zur Ermöglichung einer einfachen  und     billigen    Konstruktion alle die gleiche Form und  jeweils auch die gleiche Stellung (den gleichen An  stellwinkel) aufweisen sollen, ergibt es sich von selbst,  dass die obengenannte Forderung nach einer rota  tionssymmetrischen     Zuströmung    schon am Eintritt in  den Leitapparat erfüllt sein muss ; denn nur so kann  bei gleicher Wirkung sämtlicher Leitschaufeln eine  rotationssymmetrische     Zuströmung    zu den Laufrad  schaufeln erzeugt werden.

      Bei     Kaplanturbinen    mittlerer Leistung dient     zur     Umwandlung der gleichförmigen, geradlinigen Strö  mung in der     Einlaufkammer    in eine rotationssymme  trische Strömung unmittelbar vor dem     Fink'schen     Leitapparat eine     Zulaufeinrichtung,    die aus einem  dem Durchmesser der Turbine entsprechend breiten       Zulaufkanal        (Einlaufkammer),    einer an diesen Kanal  sich anschliessenden Halbspirale, einem am hinteren  Ende der Halbspirale zwischen dieser und dem Zu-    Laufkanal     liegenden    Sporn und einer Anzahl von  feststehenden achsparallelen Traversen besteht.

   Diese       Zulaufeinrichtungen        erfüllen    in ihrer herkömmlichen  Gestaltung, und zwar     hinsichtlich    der Form und der  Anordnung der Traversen, hinsichtlich der Ausbil  dung des Sporns und der Halbspirale nicht die For  derung nach einer vollständigen rotationssymmetri  schen     Zuströmung    zum     Leitapparat    der Turbine. Da  es     nämlich    bisher nicht     möglich    war, die komplizier  ten Strömungsvorgänge mit genügender Genauigkeit  rechnerisch zu erfassen,     konnte    man auch die For  men und Abmessungen der Traversen, des     Sporns     und der Halbspirale selbst nicht richtig angeben.

    Man war vielmehr stets auf gewisse Annahmen und  Versuche angewiesen, die nur     eine    gewisse Annähe  rung an die richtige Form bringen konnten.  



  Dem     Erfinder    ist es nunmehr aber gelungen, eine  zwar schwierige, aber weitgehend exakte dreidimen  sionale Berechnungsmethode für solche Strömungen  zu     finden,    die es ermöglicht, die     geometrischen    For  men einer     solchen        Zulaufeinrichtung    mit einer grossen  Genauigkeit     anzugeben.    Der     Erfinder    ging dabei von  der Erkenntnis aus, dass die in der Fachliteratur und  in der Praxis wehverbreitete Annahme falsch ist, dass  die in     Spiralgehäusen    üblicher Ausführung sich bil  dende     Drallströmung    mit ausreichender Genauigkeit  den     Drallsatz    :

       c,"   <I>- r</I> =konstant,     erfüllt,    also die Be  dingung, dass. das Produkt aus Umfangsgeschwindig  keit mal Radius an allen Stellen     angenähert    gleich  ist. Es hat sich gezeigt, dass diese Bedingung bei  bekannten     Zulaufeinrichtungen    bei weitem nicht er  füllt ist, und dass bei der Formgebung der Zulauf  einrichtung noch wesentlich stärker der hydrodyna  mischen Wechselwirkung zwischen dem Betriebswas  ser einerseits und den Wänden der Halbspirale und  den Traversen andererseits Rechnung getragen wer  den muss.

        Die Erfindung besteht somit in der Angabe einer  neuen Form der     Zulaufeinrichtung    die es gestattet,  die     obengenannte    vollständige Rotationssymmetrie und  damit die den vorgegebenen Verhältnissen entspre  chend günstigste Turbinenform hinsichtlich Grösse,  Wirkungsgrad und Laufruhe zu erhalten.  



  Sie betrifft eine     Zulaufeinrichtung    für Nieder  druck-Kaplanturbinen, bestehend aus einer     Einlauf-          kammer,    einer     anschliessenden    Halbspirale, einem  zwischen     Einlaufkammer    und Halbspirale liegenden  Sporn und einem     Kranz    von feststehenden Traversen.  



  Gemäss der     Erfindung    ist in erster Linie der  Sporn, dessen Lage weitgehend durch die gegebenen  Verhältnisse bestimmt wird, nicht als kurze keilför  mige Nase, sondern im     Gegensatz    zu allen bisher  bekannten. Formen     als    Zunge ausgebildet, die 10 bis  25 mal so lang wie ihre     mittlere    Dicke ist und     aus-          serdem    über dem grössten Teil ihrer Länge angenä  hert konstante Dicke aufweist. Gleichzeitig sind die  auf der     Einlaufseite    dem Sporn     benachbarten    Tra  versen so ausgebildet,     dass    sie eine starke Vergrösse  rung der Umfangskomponente der Strömung ergeben.  



  Wenn     die    Länge des Sporns das     Zehnfache    der  mittleren Dicke ist, lässt sich bereits eine wesentliche       Verbesserung    erzielen. Die Verhältnisse werden je  doch noch günstiger, wenn der Sporn noch schlanker  ist und     zwar    vorzugsweise     mit    einer Länge von etwa  dem     Zwanzigfachen    der mittleren Dicke.  



  Zur Erzielung einer starken Vergrösserung der  Umfangskomponente der Strömung durch     die    auf  der     Einlaufseite    vor dem Sporn liegenden Traversen  können ausser langen und stark     ewölbten    Schaufeln  auch andere an sich bekannte- Mittel angewendet  werden. So könnten die Traversen .etwa als Spaltflü  gel oder als gestaffelte Profile ausgebildet werden.  



  Ferner ist es     zweckmässig,        zusätzlich    zu den  obengenannten Merkmalen auch dem     Flächenverlauf     der Halbspirale selbst     bestimmte    Formen zu geben,  und     zwar    soll     vorteilhaft    die eigentliche Halbspirale  in ihrer seitlichen Wandung so geformt werden, dass  die     mittlere        Umfangsgeschwindigkeit    der     Strömung     vom Eintrittsquerschnitt (Querebene durch die Tur  binenachse) an bis zu dem etwa     90         (Umfangswinkel)

       weiter hinten liegenden     Querschnitt        zunimmt,    dann  über einen Umfangsbereich von     et#,va    450     allmählich     um ein geringes Mass     abnimmt,    und dass dann im       letzten    Teil etwa im     Umfangsbereich    von 30 bis 450  nochmals eine wesentliche Beschleunigung eintritt.  



  Eine weitere     Verbesserung    lässt sich erzielen,  wenn die     Einlaufkammer    sowohl auf der in die Halb  spiralenwand übergehenden Seite als auch auf der  zum Sporn führenden Wand     zunächst    eine konvexe  und dann eine konkave     Krümmung    aufweist.  



  Wie sich aus obigen     Ausführungen    ergibt, ist die  Form des Sporns und der auf der     Einlaufseite    vor  dem Sporn liegenden Traverse von ausschlaggebender       Bedeutung    für die Erzielung einer möglichst völlig  rotationssymmetrischen Strömung. Dabei sind weitere  Verbesserungen durch die richtige     Formgebung    der  Seitenwände der     Einlaufkarnmer    und der Halbspirale    zu erzielen.     Schliesslich    ist aber auch noch auf eine  richtige Formgebung von Boden und Decke der Ein  laufkammer zu achten.

   Wenigstens der eine dieser  beiden Teile ist zweckmässig so geformt, dass er  zusammen mit dem andern dabei ebenen Teil einen  für die Wirkung der Traversen vorteilhafte     Einschnü-          rung    der Strömung bewirkt. Boden und Decke sollen  also zusammen insbesondere im Bereich des Sporns  bzw. richtiger im     Zulaufbereich    zur vorderen Sporn  seite einen     düsenartigen    Einlauf zu dem Traversen  raum ergeben, und zwar in der Weise, dass wenig  stens eine der beiden Flächen, vorzugsweise aber  beide vor den Traversen konvex ausgebildet sind.  Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeich  nung an einem Ausführungsbeispiel näher     erläutert.     



       Fig.    1 zeigt einen horizontalen Längsschnitt durch  die     Zulaufeinrichtung    ;       Fig.   <I>1</I>     a    zeigt die     Spornpartie    in einem grösseren  Masstab ;       Fig.    2 vertikale Querschnitte durch die Halbspi  rale und       Fig.    3 einen vertikalen Schnitt entlang der Linie       A-A-A    in     Fig.    1.  



  Die     Einlaufkammer    1, in die das Betriebswasser  in der durch den Pfeil 2 angedeuteten Richtung  gleichförmig und geradlinig einströmt, weist beider  seits im Bereich 3 und 4 zunächst eine konvexe Wan  dung gegen die Strömung auf, an die sich auf der       Sp:iralseite    ein konkaver Wandteil 5 gegen die  Strömung und auf der     Spornseite    ein konkaver  Wandteil 6 gegen die Strömung mit starker     Krüm-          mung    anschliesst.

   Bei dem durch den Buchstaben i  gekennzeichneten Querschnitt, welcher den Ein  laufquerschnitt der Halbspirale bildet, schliesst sich  an die     Einlaufkammer    der erste Teil der Halb  spirale 7 an, der vom Querschnitt     i    bis etwa zum  Querschnitt e     (90")    so geformt ist, dass sich eine  Zunahme der mittleren Umfangsgeschwindigkeit  ergibt. Im weiteren Verlauf ist die Halbspirale etwa  vom Querschnitt e bis zum Querschnitt c (45 ) so  geformt, dass sich in diesem Bereich eine     allmähliche     aber nicht wesentliche Abnahme der Umfangsge  schwindigkeit ergibt, und in dem Bereich vom Quer  schnitt c bis zum Querschnitt a so     (45 ),    dass dort  eine rasche wesentliche Beschleunigung der Strömung  eintritt.  



  Der zwischen     Einlaufkammer    und Halbspirale  liegende Sporn 8 hat als Zunge, wie insbesondere  die in grösserem Masstabe gezeichnete     Fig.    la erken  nen lässt, eine über den grössten Teil seiner Länge  angenähert konstante Dicke aufweisende sehr  schlanke Form. In dem gezeigten Ausführungsbei  spiel entspricht die Länge L des Sporns     angenähert     der     15-fachen    mittleren Dicke s. Die eine der beiden  Seitenflächen des Sporns geht     in    die Halbspirale  über, während die andere Seitenfläche in eine     scharfe     Rundung des konkaven Teils 6 der     Einlaufkammer     übergeht.  



  Die Traversen sind, angefangen bei der ersten  auf der     Einlaufseite    vor dem Sporn liegenden Tra-           verse,    fortlaufend mit 9 bis 20     numerie.rt.    Der Sporn  8 sowie die Traversen 10 bis 20 sind mit ihren Aus  trittskanten in gleichmässigen Abständen, d. h. mit  gleicher Teilung auf den Umfang eines Kreises ver  teilt angeordnet. Die Traverse 9 ist als Zwischen  traverse in der ersten Teilung, d. h.     zwischen    dem  Sporn 8 und der Traverse 10 angeordnet und zwar  mit ihrer Austrittskante in der Mitte zwischen den  Austrittskanten des Sporns 8 und der Traverse 10.

    Die Wölbung der Traversen 9 und 10 und die Aus  rundung, mit der die Wand der     Einlaufkammer    in  den Sporn übergeht, sind dabei so aufeinander abge  stimmt, dass die zwischen dieser     Ausrundung    und  der Traverse 9 sowie die zwischen der Traverse 9  und der Traverse 10 gebildeten Kanäle sich von der  Eintrittsseite zur Austrittsseite hin düsenartig verjün  gen.

   Bei grösseren Fallhöhen und bei grösseren Wer  ten der Eintrittsgeschwindigkeit in der     Einlaufkam-          mer    kann es zweckmässig sein, zwischen den Tra  versen 10 und 11, also in der zweiten Teilung, eine  zusätzliche Traverse als weitere Zwischentraverse an  zuordnen, um damit die Rotationssymmetrie der Zu  strömung zu den innerhalb der Traversen angeordne  ten Leitschaufeln zu verbessern.  



  Die auf der Seite der     Einlaufkammer    liegenden  Traversen 9 bis 13 weisen im Querschnitt eine posi  tive Wölbung auf, d. h. sie sind so gewölbt, dass sie  die Umfangskomponente der     Strömungsgeschwindib          keit    vergrössern ; sie stellen also sogenannte Pumpen  traversen dar. Angefangen von der Traverse 9 sind  die Traversen im Querschnitt fortlaufend bis zur Tra  verse 13 mit geringerer Länge ausgebildet, und zwar  die Traverse 9 mit einer Länge, die etwa dem     3-fa-          chen    der Länge der Traverse 13 entspricht.     Ausser-          dem    sind die Traversen 9 bis 13 fortlaufend mit ge  ringerer Wölbung ausgebildet.

   Im Vergleich zur Tra  verse 12 und insbesondere zur Traverse 13, die nur  noch eine sehr kleine positive Wölbung aufweist, sind  die Traversen 9 bis 11 jedoch verhältnismässig stark  gewölbt, um mit ihnen eine starke     Vergrösserung    der  Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit  zu erzielen. Die zunächst am Sporn liegende Traverse  9 mit der grössten Länge und der     stärksten    Wölbung  trägt also die grösste hydrodynamische Belastung, da  gegen trägt die letzte Pumpentraverse 13 nur noch     eine     geringe hydrodynamische Belastung, die unter Um  ständen bis auf Null vermindert werden kann. Die  Form der Mittellinie des, Profils der Traverse 13 ent  spricht daher auch ungefähr der Form der örtlichen  Stromlinie der von dieser Traverse nicht gestörten  Strömung.

    



  Um ein eventuelles Ablösen der Strömung von  den auf der     Einlaufseite    am Sporn liegenden hydro  dynamisch stark belasteten Traversen zu     verhindern,     können diese als sogenannte Spalt- oder Schlitzflügel,  also in der Weise ausgebildet werden, dass vor dem  eintrittsseitigen Ende der eigentlichen Traverse ein  kleiner Hilfsflügel angeordnet ist, wobei der     zwischen     der Traverse und dem Hilfsflügel liegende Spalt sich  von der Druck- zur Saugseite hin düsenförmig ver-    engt.

   Ein eventuelles Ablösen der     Strömung    von den  genannten Traversen kann aber auch dadurch ver  mieden werden, dass diese als     sogenannte    gestaffelte  Profile oder     unterteilte    Traversen ausgebildet werden.  Hierbei ist das Profil jeder dieser Traversen durch  eine Gruppe von kleineren Teilprofilen     ersetzt,    deren  gemeinsame Umhüllende etwa der     Umrisslinie    der  Traverse entspricht.  



  Die auf der Seite der Halbspirale     liegenden    Tra  versen 14 bis 20 weisen eine negative Wölbung auf,  d. h. sie sind so gewölbt, dass sie die Umfangskom  ponente der Strömungsgeschwindigkeit verringern ; es  sind sogenannte Turbinentraversen. Angefangen bei  der Traverse 14 sind die Traversen fortlaufend bis  zur Traverse 20 mit zunehmend stärkerer, jedoch im  Vergleich zu den Traversen 9 bis 11     verhältnismässig          geringer    Wölbung ausgebildet, da sie eine     wesentlich     geringere hydrodynamische Belastung zu     tragen    ha  ben als diese.  



  In     Fig.    2 sind die vertikalen Querschnitte an den  mit<I>a</I> bis<I>i</I> bezeichneten Stellen der Halbspirale der       Fig.    1 dargestellt.  



       Fig.    3 zeigt die Ausbildung des Bodens 21 und  der Decke 22, die vor dem     Traversenraum    je     eine     konvexe Form aufweisen und so einen     düsenförmigen     Zulauf zum     Traversenraum    ergeben.  



  Die     Einlaufkammer    besitzt vor dem düsenartigen  Einlauf 30 zu dem     Traversenraum        eine        zusätzliche          Einschnürung    31, derart, dass der Boden 21, und     die     Decke 22 eine konvexe Form 31, 32 zur Strömung  aufweisen. Es könnte     eine    solche konvexe Form auch  nur an der Decke oder am Boden vorgesehen sein.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Zulaufeinrichtung für Niederdruck-Kaplanturbi- nen, bestehend aus einer Einlaufkammer, einer an- schliessenden Halbspirale, einem zwischen Einlauf- kammer und Halbspirale liegenden Sporn und einem Kranz von feststehenden Traversen, dadurch gekenn zeichnet, dass der Sporn (8) als Zunge mit einer Länge von 10 bis 25 mal ihrer mittleren Dicke (s)

   und mit einer über den grössten Teil ihrer Länge sich erstreckenden angenähert konstanten Dicke aus gebildet ist, und dass ausserdem die auf der Einlauf- seite dem Sporn benachbarten Traversen (9 bis 11) so ausgebildet sind, dass sie eine starke Vergrösse- rung der Umfangskomponente der Strömung ergeben.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass im Querschnitt die Tra versen (9 bis 13) vom Sporn an aufeinanderfolgend in ihrer Länge abnehmen, wobei die Länge der dem Sporn _(8) zunächst liegenden Traverse (9) etwa drei mal grösser ist als die der neutralen Traverse (13). 2. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Wölbung der drei auf der Einlaufseite dem Sporn benachbarten Traversen (9 bis 11) vom Sporn an allmählich abnimmt.

   3. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung der drei auf der Einlaufseite dem Sporn benachbarten Traversen (9 bis 11) vom Sporn an allmählich abnimmt. 4. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die auf der Einlaufseite dem Sporn benachbarten Traversen als Spaltflügel ausgebildet sind.

   5. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die auf der Einlaufseite dem Sporn benachbarten Traversen als unterteilte Traversen ausgebildet sind. 6. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass der Sporn gegen das hin tere Ende der Halbspirale zu konvex gekrümmt ist.

   7. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Aussenseiten des Sporns in die Wand der Halbspirale und in eine Aus rundung in der Wand der Einlaufkammer übergehen. B. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, dass die hinter der neutralen Traverse (13) l@ie- genden weiteren Traversen (14 bis 20) mit negativer Wölbung ausgebildet sind.

   9. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, dass die erste auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegende Traverse (9) als Zwischentraverse in der ersten Teilung angeordnet ist.

   10. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass die Halbspirale (7) in ihrer seitlichen Wandung so geformt ist, dass die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Strömung vom Eintrittsquerschnitt (a) durch die Turbinenachse an bis zu einem etwa 900 Umfangswinkel weiter hinten liegenden Querschnitt (e) zunimmt, dann über einen Winkelbereich von weiteren etwa 45 Umfangswin kel (e bis c) allmählich abnimmt, und dass sie dann im letzten Viertel der Halbspirale (c bis a), nochmals zunimmt.

   11. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (21) der Einlaufkammer so geformt ist, dass er zusammen mit der ebenen Decke der Einlaufkam- mer einen düsenartigen Einlauf zu dem Traversen raum in der Nähe des Sporns ergibt.

   12. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und Unteranspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Decke (22) der Einlaufkammer so geformt ist, dass sie zusammen mit dem ebenen Boden der Einlaufkammer einen düsenartigen Einlauf zu dem Traversenraum in der Nähe des Sporns ergibt. 13. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, dass der Boden (21) und die Decke (22) der Einlaufkammer so geformt sind, dass sie zusam men einen düsenartigen Einlauf zu dem Traversen raum in der Nähe des Sporns ergeben.

   14. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 13, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlaufkammer vor dem düsenar tigen Einlauf zu dem Traversenraum eine zusätzliche Einschnürung aufweist, derart, dass der Boden (21) der Einlaufkammer eine konvexe Form zur Strö mung hin aufweist.

   15. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlaufkammer vor dem düsenar tigen Einlauf zu dem Traversenraum eine zusätzliche Einschnürung aufweist, derart, dass die Decke (22) der Einlaufkammer eine konvexe Form zur Strömung hin aufweist.

   16. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlaufkammer vor dem düsenarti gen Einlauf zu dem Traversenraum eine zusätzliche Einschnürung aufweist, derart, dass der Boden (21) und die Decke (22) der Einlaufkammer konvexe Form zur Strömung hin aufweisen.

   17. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlaufkammer auf der in die Halbspiralenwand übergehenden Seitenwand zunächst eine konvexe Krümmung (3) und dann eine konkave Krümmung (5) zur Strömung aufweist. 18. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlaufkammer auf der zum Sporn führenden Seitenwand zunächst eine konvexe Krüm mung (4) und dann eine konkave Krümmung (6) zur Strömung aufweist.

   19. Zulaufeinrichtung nach Patentanspruch und den Unteransprüchen 10 bis 14, dadurch gekenn zeichnet, dass die Einlaufkammer auf der in die Halbspiralenwand übergehenden Seitenwand und auf der zum Sporn führenden Seitenwand je zunächst eine konvexe Krümmung (3, 4) und dann eine kon kave Krümmung (5, 6) zur Strömung aufweisen.