DE1070560B - - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Bei Kaplanturbinen wird die am Eintritt in die Einlaufkammer herrschende gleichförmige, geradlinige Strömung mittels einer Leitvorrichtung in eine Drallströmung umgewandelt. Um dabei eine möglichst stationäre relative Umströmung der Laufradschaufeln zu erhalten, sollte diese Drallströmung vor dem Eintritt in das Laufrad eine weitgehend vollständige Rotationssymmetrie aufweisen. Je stationärer die relative Umströmung der Laufradschaufeln ist, um so gleichmäßiger ist die Belastung bzw. Beaufschlagung aller Schaufeln, um so ruhiger der Gang der Turbine und um so besser der Wirkungsgrad bei relativ kleinen Hauptabmessungen

Die Regulierung des Dralls in Abhängigkeit von der Leistung bzw. von der Durchflnßmenge wird in der Regel mittels verstellbarer Leitschaufeln eines sogenannten Finkschen Leitapparates erreicht. Da diese Leitschaufeln zur Ermöglichung einer einfachen und billigen Konstruktion alle die gleiche Form und jeweils auch die gleiche Stellung (den gleichen Anstellwinkel) aufweisen sollen, ergibt es sich von selbst, daß die obengenannte Forderung nach einer rotationssymmetrischen Zuströmung schon am Eintritt in den Leitapparat erfüllt sein muß; denn nur so kann bei gleicher Wirkung sämtlicher Leitschaufeln eine rotationssymmetrische Zuströmung zu den Laufradschaufel erzeugt werden.

Bei Kaplanturbinen mittlerer Leistung dient zur Umwandlung der gleichförmigen, geradlinigen Strömung in der Einlaufkammer in eine rotationssymmeirische Strömung unmittelbar vor dem Finkschen Leitapparat eine insgesamt als Halbspirale bezeichnete Zulaufeinrichtung, die aus einem dem Durchmesser der Turbine entsprechend breiten Zulaufkanal (Eimlaufkammer), einer an diesen Kanal sich anschließenden halben Spirale, einem am hinteren Ende der Halbspirale zwischen dieser und dem Zulaufkanal liegenden Sporn und einer Anzahl von feststehenden achsparallelen Vorleitschaufeln besteht. Diese Halbspiralen erfüllen in ihrer herkömmlichen Gestaltung, und zwar hinsichtlich der Form und der Anordnung der Stützschaufeln, hinsichtlich der Ausbildung des Sporns und der Halbspirale nicht die Forderung nach einer vollständigen rotationssymmetrischen Zuströmung zum Leitapparat der Turbine. Da es nämlich bisher nicht möglich war, die komplizierten Strömungsvorgänge mit genügender Genauigkeit rechnerisch zu erfassen, konnte man auch die Formen und Abmessungen der Vorleitschaufeln, des Sporns und der Halbspirale selbst nicht richtig angeben. Man war vielmehr stets auf gewisse Annahmen und Versuche angewiesen, die nur eine gewisse Annäherung an die richtige Form bringen konnten.

Dem Erhnder ist es nunmehr aber gelungen, eine Halbspirale für Kaplanturbinen Anmelder:

J. M. Voith G.m.b.H., Heidenheim/Brenz

Dr.-Ing. Michael Strscheletzky₁

Friedrichshafen (Bodensee), ist als Erfinder genannt worden

zwar schwierige, aber weitgehend exakte dreidimensionale Berechnungsmethode für solche Strömungen zu finden, die es ermöglicht, die geometrischen Formen, einer solchen Halbspirale mit einer großen Genauigkeit anzugeben. Der Erfinder ging dabei von der Erkenntnis aus, daß die in der Fachliteratur und in der Praxis weitverbreitete Annahme falsch ist, daß die in Spiralgehäusen üblicher Ausführung sich bildende Drallströmung mit ausreichender Genauigkeit den Drallsatz: C₁₁ X r = konstant, erfüllt, also die Bedingung, daß das Produkt aus Umfangsgeschwindigkeit mal Radius an allen Stellen angenähert gleich ist. Es hat sich gezeigt, daß diese Bedingung bei bekannten Halbspiralen bei weitem nicht erfüllt ist und daß bei der Formgebung der Halbspirale noch wesentlich stärker der hydrodynamischen Wechselwirkung zwischen dem Betriebswasser einerseits und den Wänden der Halbspirale und den Vorleitschaufeln andererseits Rechnung getragen werden muß.

Die Erfindung besteht somit in der Angabe einer neuen Halbspiralenform, die es gestattet, die obengenannte vollständige Rotationssymmetrie und damit die den vorgegebenen Verhältnissen entsprechend günstigste Turbinenform hinsichtlich Größe, Wirkungsgrad und Laufruhe zu erhalten.

Gemäß der Erfindung wird für eine Halbspirale für Niederdruck-Kaplanturbinen, bestehend aus einer Einlaufkammer, einer anschließenden Halbspirale, einem zwischen Einlaufkammer und Halbspirale liegenden Sporn und einem Kranz von feststehenden Vorleitschaufeln vorgeschlagen, den Sporn als schlanken Dorn mit einer Länge von 10- bis 25-, vorzugsweise 20mal seiner mittleren Dicke 5 und mit einer über den größten Teil seiner Länge sich erstreckenden angenäherten konstanten Dicke auszubilden und außerdem die auf der Einlaufseite am Sporn liegenden Vorleitschaufeln in an sich bekannter AVeise so auszu-

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bilden, daß sie eine starke Vergrößerung der Umfangskomponente der Strömung ergeben.

Die Angabe, daß die Länge des Sporns mindestens IOmal der mittleren Dicke sein soll, stellt dabei etwa die untere Grenze dar, mit der sich bereits eine wesentliche Verbesserung erzielen läßt. Die Verhältnisse werden jedoch noch günstiger, wenn der Sporn noch schlanker, und zwar mit einer Länge bis zu maximal etwa 25 x s, vorzugsweise mit einer Länge von etwa 20 x j ausgebildet wird. Dabei ist der Sporn, wie an sich bekannt^ gegen die Halbspirale zu etwas konvex gekrümmt. Außerdem geht er auf seiner Außenseite mit einer Ausrundung, die außerhalb der genannten Länge von (10 bis 25) x s liegt, in die Wand der Einlaufkammer über.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung sind die auf der Einlauf seite am Sporn liegenden Vorleitschaufeln mit einer wesentlich größeren Länge als die übrigen Vorleitschaufeln auszuführen, und zwar mit einer 2- bis 3fachen Länge. Eine andere Ausführungsmöglichkeit besteht darin, die auf der Einlaufseite am Sporn liegenden Vorleitschaufeln mit wesentlich stärkerer Wölbung auszuführen als die übrigen, wobei ihre Wölbung vom Sporn an allmählich abnimmt. Dabei soll die Wölbung wenigstens der beiden, vom Sporn aus gesehen, ersten Vorleitschaufeln so stark wie bei sogenannten Hakenschaufeln gewählt werden. Dabei wird in an sich bekannter Weise der Abstand zwischen dem Sporn und der ersten auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegenden Vorleitschaufel sowie der Abstand zwischen dieser ersten und der zweiten Vorleitschaufel halb so groß ausgebildet wie der Abstand zwischen je einander benachbarten übrigen Vorleitschaufeln.

Die Wölbung der ersten vor dem Sporn liegenden Vorleitschaufel und die Abrundung, mit der die Einlaufkammer in den Sporn übergeht, sind dabei so aufeinander abzustimmen, daß sich zwischen dieser Ausrundung und der ersten Vorleitschaufel und entsprechend zwischen dieser und der nächsten VorIeitschaufel allmählich verjüngende, düsenartige Kanäle ergeben.

Besonders günstige Verhältnisse lassen sich erzielen, wenn die auf der Einlaufseite am Sporn liegenden Vorleitschaufeln sowohl mit größerer Länge als auch mit größerer Wölbung als die übrigen Vorleitschaufeln ausgebildet werden und wenn nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung die Vorleitschaufeln vom Sporn an in ihrer Länge und in ihrer Wölbung allmählich bis zu der in der Fig. 1 der Zeichnung etwas rechts von der vertikalen Mittelebene liegenden, also nur mit ganz schwacher Wölbung ausgeführten Vorleitschaufel abnehmen. Von hier an kann die Wölbung in der entgegengesetzten Richtung wieder etwas zunehmen, so daß die spiralseitig angeordneten Vorleitschaufeln eine Wölbung zur seitlichen Wand der Spirale hin aufweisen (Turbinenvorleitschaufeln).

Zur Erzielung einer starken Vergrößerung der Umfangskomponente der Strömung durch die auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegenden Vorleitschaufeln können außer langen und stark gewölbten Schaufeln auch andere an sich bekannte Mittel angewendet werden. So könnten die Vorleitschaufeln etwa als Spaltflügel oder als gestaffelte Profile ausgebildet werden.

Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung, für den kein selbständiger Schutz beansprucht wird, ist es zweckmäßig, zusätzlich zu den obengenannten Merkmalen auch dem Flächenverlaiif der Halbspirale selbst

bestimmte Formen zu geben, und zwar soll die Seitenwand der eigentlichen Halbspirale so geformt werden, daß die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Strömung vom Eintrittsquerschnitt (von der Ouerebene durch die Turbinenachse) an bis zu dem etwa 90° weiter stromabwärts liegenden Querschnitt zunimmt, dann über einen Winkelbereich von etwa 45° allmählich um ein geringes Maß abnimmt, und daß dann im letzten Teil, also in einem weiteren Bereich von etwa ίο 30 bis 45°, nochmals eine wesentliche Beschleunigung eintritt.

Eine weitere Verbesserung, für die ebenfalls kein selbständiger Schutz beansprucht wird, läßt sich erzielen, wenn die Einlaufkammer sowohl auf der in die Halbspiralenwand übergehenden Seitenwand als auch auf der zum Sporn führenden Seitenwand zunächst eine konvexe und dann eine konkave Krümmung zur Strömung hin aufweist.

Wie sich aus obigen Ausführungen ergibt, ist die Form des Sporns und der auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegenden Vorleitschaufel von ausschlaggebender Bedeutung für die Erzielung einer möglichst völlig rotationssymmetrischen Strömung. Dabei sind weitere Verbesserungen durch die richtige Formgebung der Seitenwände der Einlaufkammer und der Halbspirale zu erzielen. Schließlich ist aber auch noch auf eine richtige Formgebung von Boden und Decke der Einlaufkammer zu achten. Diese sollen nach einem weiteren Verbesserungsvorschlag der Erfindung so geformt sein, daß sich eine für die Wirkung der Vorleitschaufeln genügende Einschnürung der Strömung ergibt. Boden und Decke sollen also zusammen insbesondere im Bereich des Sporns bzw. richtiger im Zulaufbereich zur vorderen Spornseite einen düsenartigen Einlauf zu dem Vorleitschaufelraum ergeben, und zwar in der Weise, daß wenigstens eine der beiden Flächen, vorzugsweise aber beide vor den Vorleitschaufeln konvex zur Strömung hin ausgebildet sind.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen horizontalen Längsschnitt durch die gesamte Halbspirale einschließlich Einlaufkammer, Fig. 2 vertikale Querschnitte durch die eigentliche Halbspirale 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 beiderseits in den Bereichen 3 und 4 zunächst eine konvexe Wand auf, an die sich auf der Spiralseite ein konkaver Wandteil 5 und auf der Spornseite ein konkaver Wandteil 6 mit starker Krümmung anschließen. Bei dem durch den Buchstaben i gekennzeichneten Querschnitt schließt sich an die Einlaufkammer der erste Teil der eigentlichen Halbspirale 7 an, der vom Querschnitt i bis etwa zum Querschnitt e so geformt ist, daß sich eine Zunahme der mittleren Umfangsgeschwindigkeit ergibt. Im weiteren Verlauf ist die IIalbspirale etwa vom Querschnitt e bis zum Querschnitt c so geformt, daß sich in diesem Bereich eine allmähliche, aber nicht wesentliche Abnahme der Umfangsgeschwindigkeit ergibt, und in dem Bereich vom Querschnitt c bis zum Querschnitt a so, daß dort eine rasche wesentliche Beschleunigung der Strömung eintritt.

Der Sporn 8 hat, wie die Abbildung erkennen läßt, eine sehr schlanke Form, die eine über ihre wesentliehe Länge angenähert konstante Dickes aufweist,

Claims (12)

wobei die Länge in dem gezeigten Ausführungsbeispiel angenähert der 15fachen mittleren Dicke j des Sporns entspricht. Außerhalb dieses Bereiches angenähert konstanter Dicke geht der Sporn in einer scharfen Rundung in die Einlaufkammer bzw. deren konkaven Teil 6 über. Die Vorleitschaufeln sind, angefangen λόπ der ersten Vorleitschaufel 9, fortlaufend bis 20.numeriert. Die erste Vorleitschaufel und die Vorleitschaufeln 10 und 11 sind stark gewölbt, und zwar die Vorleitschaufel 9 am stärksten und die folgenden Vorleitschaufeln jeweils weniger stark bis zur Vorleitschaufel 13, die nur noch eine sehr kleine positive Wölbung aufweist. Außerdem sind die Vorleitschaufeln 9 bis 13 fortlaufend mit geringerer Länge ausgebildet, und zwar die Vorleitschaufel 9 mit einer Länge, die etwa dem Dreifachen der Länge der Vorlei techaufei 13 entspricht. Die auf der Seite der Einlaufkammer liegenden Vorleitschaufeln 9 bis 13 vergrößern die Umfangskomponente der Strömungsgeschwindigkeit; es sind also sogenannte Pumpenvorleitschaufeln. Dabei hat die am Sporn liegende Vorleitschaufel 9 mit der größten Länge und der stärksten Wölbung die größte hydrodynamische Belastung. Die letzte Pumpenvorleitschaufel 13 trägt nur noch eine geringe hydrodynamische Belastung, die unter Umständen bis auf Null vermindert werden kann. Deshalb entspricht die Form der Mittellinie des Profils dieser Vorleitschaufel ungefähr der Form der örtlichen Stromlinie der von dieser Vorleitschaufel nicht gestörten Strömung. Bei größeren Fallhöhen und bei größeren Werten der Eintrittsgeschwindigkeit in der Einlaufkammer kann es zweckmäßig sein, zwischen den Vorleitschaufeln 10 und 11 noch eine weitere zusätzliche Vorleitschaufel anzuordnen, um damit die Rotationssymmetrie der Zuströmung zu den I.eitschaufeln zu verbessern. Die folgenden Vorleitschaufeln 14 bis 20 sind negativ gewölbt, und zwar von der Vorleitschaufel 14 mit zunehmend stärkerer, jedoch im Vergleich zu den Vorleitschaufeln 9 bis 11 kleiner Wölbung, da sie hydrodynamisch wesentlich geringer belastet sind als diese. In Fig. 2 sind die vertikalen Querschnitte an den mit a bis i bezeichneten Stellen der Fig. 1 dargestellt. Fig. 3 zeigt die. Ausbildung des Bodens 21 und der Decke 22, die vor dem Vorleitschaufelraum je eine konvexe Form aufweisen und so einen düsenförmigen Zulauf zum Verleitschaufelraum ergeben. 50 Patentansprüche-.

1. Halbspirale für Niederdruck-Kaplanturbinen, bestehend aus einer Einlaufkammer, einer anschließenden Halbspirale, einem zwischen Einlaufkammer und Halbspirale liegenden Sporn und einem Kranz von feststehenden Vorleitschaufeln. dadurch gekennzeichnet, daß der Sporn (8) als schlanker Dorn ausgebildet ist mit einer Länge von 10- bis 25-, vorzugsweise etwa 20mal seiner mittleren Dicke (s) und mit einer über den. größten Teil seiner Länge sich erstreckenden angenähert konstanten Dicke, (s) und daß die auf der Einlaufseite am Sporn (8) liegenden Vorleitschaufeln (9 bis 11) in an sich bekannter Weise so gewölbt sind, daß sie eine starke Vergrößerung der Umfangskomponente der Strömung ergeben.

2. Halbspirale nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Einlaufseite am Sporn (8) liegenden Vorleitschaufeln (9, 10) eine

wesentlich größere Länge als die übrigen Vorleitschaufeln aufweisen (bis zum Dreifachen der Länge) und daß die Vorleitschaufeln (9 bis 13), vom Sporn an aufeinanderfolgend, in ihrer Länge allmählich abnehmen.

3. Halbspirale nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Sporn (8) und der ersten auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegenden Vorleitschaufel (9) und zwischen der ersten und zweiten auf der Einlaufseite vor dem Sporn liegenden Vorleitschaufel (10) in an sich bekannter Weise halb so groß ist wie der Abstand zwischen je zwei einander benachbarten übrigen Vorleitschaufeln.

4. Halbspirale nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens auch noch der Abstand zwischen der zweiten (10) und dritten (11) auf der Einlaufseite, vor dem Sporn (8) liegenden Vorleitschaufel halb so groß ist wie der Abstand zwischen je zwei einander benachbarten übrigen Vorleitschaufeln.

5. Halbspirale nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wölbung der auf der Einlaufseite am Sporn (8) liegenden Vorleitschaufeln (9 bis 11) in an sich bekannter Weise vom Sporn an allmählich abnimmt.

6. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Ein-; laufseite am Sporn (8) liegenden Vorleitschaufeln (9 bis 11), wie bei Strömungsmaschinen an sich bekannt, als Spaltflügel oder als gestaffelte Profile ausgebildet sind.

7. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sporn (8) gegen die Halbspirale (7) zu, wie an sich bekannt, konvex gekrümmt ist.

8. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die der Einlaufkammer (1) zugekehrte Seite des Sporns außerhalb der Länge von (10 bis 25) X s mittels einer Ausrundung in die Wand der Einlaufkammer übergeht.

9. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand der eigentlichen Halbspirale (7) so geformt ist, daß die mittlere Umfangsgeschwindigkeit der Strömung vom Eintrittsquerschnitt (i) (von der Querebene durch die Turbinenachse) an bis zu einem etwa 90° (Umfangswinkel) weiter stromabwärts liegenden Querschnitt (e) zunimmt, dann über einen Winkelbereich von etwa 45° (e bis c) allmählich um ein Geringes abnimmt, und daß sie dann im letzten Viertel der Halbspirale (c bis a), also in einem weiteren Bereich von etwa 30 bis 45°, nochmals eine starke Beschleunigung erfährt.

10. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden (21) und/oder die Decke (22) der Einlaufkammer (1) in an sich bekannter Weise geformt sind, daß sie einen düsenartigen Einlauf zu dem Vorleitschaufelraum in der Nähe des Sporns (8) ergeben.

11. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis

10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbspirale (7) vor dem düsenförmigen Eintritt in den Vorleitschaufelring eine zusätzliche Einschnürung aufweist, derart, daß Boden (21) und/oder Decke (22) der Einlaufkammer (1) konvexe Form zur Strömung hin aufweisen.

12. Halbspirale nach einem der Ansprüche 1 bis

11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufkam-