DE1001949B

DE1001949B - Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen an der Laufradnabe von Kaplanturbinen

Info

Publication number: DE1001949B
Application number: DEE8618A
Authority: DE
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1953-03-13
Filing date: 1954-02-24
Publication date: 1957-01-31

Description

Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen an der Laufradnabe von Kaplanturbinen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationserscheinungen an der Laufradnabe von Kaplanturbinen mittels Zuführung einer regelbaren Luftmenge durch die hoble Turbinenwelle an die Außenfläche des saugseitigen Teiles der Laufradnabe.
Beim Betrieb von Kaplanturbinen mit Teil- oder Überlast oder Überdrehzahl können in der Gegend des Laufrades Unterdrücke auftreten, welche zu Kavitationserscheinungen und instabilen Strömungszuständen führen und dabei Geräusche und Erschütterungen auslösen können. Solche Erscheinungen können durch Luftzufuhr zu jenen Stellen, an denen die genannten Unterdrücke auftreten, vermindert oder ganz vermieden werden.
Bei Schnelläufer-Francisturbinen ist zu dieseln Behufe schon vorgeschlagen worden, dem Spaltraum zwischen Leitrad und Laufrad oder der Austrittseite des Laufrades bei Teilbelastung Luft zuzuführen. Gemäß diesem Vorschlag erfolgt die Luftzufuhr im letzteren Falle durch Bohrungen in der Laufradnabe, welche die Verbindung zwischen der belüfteten Oberseite der Laufradnabe und dem Strömungsraum auf der Austrittseite des Laufrades herstellen. Die Luft wird hierbei von der Atmosphäre her angesaugt oder unter Vermittlung von Verdichtervorrichtungen eingeführt. Es wurde hierbei auch vorgeschlagen, die Luftmenge durch besondere Vorrichtungen nach dem Grade der Belastung zu regeln.
Eine Luftzufuhr zur Austrittseite eines Wasserturbinenlaufrades ist ferner schon in Verfolgung anderer Zwecke, nämlich zur selbsttätigen Turbinenregulierung mittels Gefälleveränderung bekanntgeworden. Um das Sauggefälle der Turbine zu verändern, wird hierbei durch eine zentrale Bohrung der Turbinenwelle der Austrittseite des Laufrades Luft zugeführt. Das Sauggefälle wird so in Anpassung an den wechselnden Kraftbedarf durch Heben oder Senken des Unterwasserspiegels verändert, um möglichst gleiche Geschwindigkeit der Turbine zu erzielen. Die Luftzufuhr wird dabei durch einen Drehzahlregler der Turbine beherrscht.
Ferner ist ein Verfahren zur Vermeidung von Kavitationserscheinungen an Laufradnaben von Spiralturbinen durch Luftzufuhr an die Nabenaußenfläc,he bekanntgeworden, bei welchen die Luft durch eine zu schaffende oder .schon vorhandene, jedoch für andere Zwecke, z. B. Montagezwecke oder Regulierung, benutzte Bohrung der Turbinenwelle .d,erAußenfläche der Läufernabe in vorher bestimmter oder regelbarer Menge zugeführt wird. Zur Beeinflussung der zugeführten Luftmenge wird in diesem Falle eine fest angeordnete Drosselscheibe bzw. eine von außen zugängliche Regulierschraube oder ein Ventil am Außenende oder an, einer anderen Stelle der Wellenbohrung angeordnet.
Bei Kaplanturbinen wird durch die zentrale Bohrung der Turbinenwelle in der Regel eine zur Verstellung der Laufradschaufeln dienende Verstellstange durchgeführt. Der in der zentralen Bohrung verbleibende Raum wird vorzugsweise für die Ölzufuhr zum Innern der Laufradnabe verwendet. Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Verstellstange selbst mit einer zentralen Bohrung zu versehen, um durch diese der einen Seite des Servomotorkolbens Drucköl zuzuführen.
Wenn die Nabe mit Öl gefüllt ist, ist es nicht ohne weiteres möglich, durch den neben der Verstellstange frei bleibenden Raum der zentralen Bohrung der Turbinenwelle den Strömungskern an der Austrittseite des Laufrades zu belüften. Gemäß der Erfindung wird nun eine solche Belüftung in einfacher und in einer den besonderen Betriebsbedingungen der gaplanturbine angepaßten `'eise dadurch erreicht, daß die zur Verstellung der Laufradschaufeln dienende Verstellstange in an sich bekannter Weise eine zentrale Bohrung aufweist, und daß diese Bohrung über eine zentrale Bohrung eines die Laufradnabe koaxial durchdringenden Verlängerungsstückes der Verstellstange mit der Austrittseite des Laufrades in Verbindung steht.
Die Belüftung der Austrittseite des Laufrades erfolgt hierbei durch Luftzufuhr zur der genannten zentralen Bohrung der Verstellstange. Zu diesem Behufe wird zweckmäßig an dem dem Turbinenlaufrad entgegengesetzten Ende der Verstellstange ein mit deren zentraler Bohrung in Verbindung stehendes, der Luftzufuhr dienendes Rohr angeschlossen, welches die ganze Welle des von der Turbine angetriebenen Generators durchdringt.
Da die eingangs erwähnten instabilen Strömungszustände besonders bei Überdrehzahl, das heißt bei einer den normalen Betriebsdrehzahlbereich übersteigenden Drehzahl des Laufrades auftreten, ist es vorteilhaft, die Luftzufuhr unter den Einfluß von Mitteln zu stellen, -welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur dann gestatten, wenn die Drehzahl des Laufrades den normalen Betri.ebsdrehzahlbereich um einen gewissen Wert überschreitet.
In den Zeichnungen sind Beispiele von Ausführungsformen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung an einer hydroelektrischen Anlage dargestellt, an Hand welcher auch die Funktionsweise erläutert -wird. Es zeigt Fig. 1 einen vertikalen Längsschnitt durch den Turbinenteil eines hydroelektrischen Maschinensatzes, Fig. 2 einen axialen Längsschnitt durch die der Belüftung dienenden Teile auf der Generatorseite des gleichen hydroelektrischen Maschinensatzes, Fig.3 und 4 Varianten für die Ausbildung der Luftzufuhreinrichtungen auf der Seite des freien Endes der Generatorwelle.
Die in Fig. 1 dargestellte Kaplanturbine -weist ein aus drehbaren Laufschaukeln 1 und einer Nabe 2 mit Haube 3 bestehendes Laufrad auf, welches am unteren Ende einer hohlen Welle 4 befestigt ist. Eine innere Deckelkonstruktion 5 und eine äußere Deckelkonstruktion 6 bilden die Begrenzung des Str5mungsraumes nach oben. Das Wasser durchströmt nacheinander eine Stützschaufelkonstruktion 7 und einen aus drehbaren Schaufeln 8 bestehenden Leitapparat, worauf es die Laufschaufeln 1 beaufschlagt und die Turbine nach unten verläßt. Die Leitschaufeln -werden durch Drehen eines Regulierringes 9 betätigt.
Zur Regulierung der Laufschaufeln dient eine im Innern der hohlen Welle 4 verlaufende Verstellstange 10, welche an ihrem unteren Ende ein Verstellkreuz 11 trägt und über dieses sowie über Laschen und Hebel mit den Drehzapfen der Laufschaufeln 1 in Wirkungsverbindung steht. Am oberen Ende der Verstellstange 10 ist ein Servomotor 12 angeordnet, welcher von einem am oberen Ende der Welle 4 befestigten Gehäuse 13 umschlossen ist.
Die Verstellstange 10 weist eine zentrale Bohrung 14 auf, welche über eine Bohrung 15 eines am unteren Ende der V erstellstange 10 angefügten Verlängerungsstückes 16 mit der Laufradaustrittseite in Verbindung steht. Das Verlängerungsstück 16 durchdringt die Laufradhaube 3 und, bewegt sich bei einer Verschiebung der Verstellstange mit dieser. Das Innere der Laufradnabe ist gegen den Wasserraum durch eine Stopfbüchse 17 abgedichtet.
Die Bohrung 14 dient zur Belüftung der Laufradaustrittseite.Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist zu diesem Zweck an dem dem Turbinenlaufrad entgegengesetzten Ende der Verstellstange 10 ein mit deren zentralen Bohrung 14 in Verbindung stehendes Rohr 18 angeschlossen. Der Generator weist eine hohle Welle 19 auf, welche an das Servomotorgehäuse 13 anschließt. Diese Welle wird von dem Rohr 18 in ihrer ganzen Länge durchdrungen.
Das Rohr 18 steht über ein federbelastetes Abschlußorgan 20 und eine Öffnung 21 eines Luftzufuhrgehäuses 22 mit der Atmosphäre in Verbindung. Das Abschlußorgan 20 gestattet den Zutritt von Luft in das Rohr 18 und damit in die zentrale Bohrung 14 der Verstellstange 10 erst, wenn der Unterdruck an der Austrittseite des Laufrades, bzw. bei der Ausmündung der Bohrung 15, einen solchen Wert erreicht hat, daß der Druckunterschied gegen die Atmosphäre die Federbelastung des Abschlußorgans 20 zu überwinden und dieses zu öffnen vermag.
Durch entsprechende Einstellung der Schließfeder des Abschlußorganes kann erreicht werden, daß eine Belüftung der Austrittseite des Laufrades erst bei solchen Unterdrücken erfolgt, welche zu den eingangs erwähnten Betriebsstörungen Anlaß geben könnten.
Da nun die zentrale Bohrung der Verstellstange für die Luftzufuhr zur Austrittseite der Laufradnabe dient, sind für die Druckmittelzufuhr zum Servomotor und zur Ölfüllung der Nabe andere Strömungswege vorzusehen. Turbinenwelle 4 und Verstellstange 10 sind so ausgebildet, daß zwischen beiden ein freier Ringkanal 35 vorhanden ist. Dieser Ringkanal steht mit dem Innern der Laufradnabe durch Bohrungen 36 in Verbindung und dient zur Zufuhr von öl ins Nabeninnere.
Mit 37 und 38 sind ferner Rohre bezeichnet, welche das Belüftungsrohr 18 umschließen und wie diese; in der hohlen Generatorwelle 19 verlaufen. Die Rohre 18, 37 und 38 lassen zwischeneinander Ringkanäle frei, welche der Zufuhr von Druckmittel zu den beiden Seiten des Servomotorkolbens 12 dienen.
Das äußere Rohr 37 begrenzt mit der hohlen Generatorwelle 19 einen in dieser verlaufenden Ringkanal 39. Dieser steht am unteren Ende über ein Verbindungsrohr 40 mit dem Ringkanal 35 der Turbinenweile in Verbindung. Am oberen Ende der Generatorwelle mündet er in ein rotierendes Ölgefäß 41. Das zur Füllung der Laufradnabe dienende Öl kann von diesem Gefäß aus durch den Ringkanal 39, das Verbindungsrohr 40 und den Ringkanal 35 zufließen.
In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform der Luftzufuhreinrichtung auf der Seite des freien Generatorwellenendes dargestellt. Es sind hierbei Mittel gezeigt, welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur dann gestatten, wenn die Drehzahl des Laufrades den normalen Betriebsdrehzahlbereich um einen gewissen Wert überschreitet. Diese Mittel bestehen in einem am freien Ende des die Generatorwelle durchdringenden Belüftungsrohres 18 angeordneten Abschlußorgan 42, welches von einem Fliehkraftregler mit Fliehgewichten 43 und Feder 44 beherrscht wird.
Diese Feder ist so Beinessen, daß bei normaler Drehzahl des Laufrades die Federkraft den Fliehkräften in der Schließlage -des Abschlußorgans 42 das Gleichgewicht zu halten vermag. Sobald aber die Drehzahl des Laufrades einen gewissen Wert überschreitet, überwinden die Fliehkräfte die Federkraft, und der Regler bewirkt ein Öffnen des Abschlußorgans 42. Durch eine solche Belüftungseinrichtung kann also die Bildung einer instabilen Strömung an der Laufradaustrittseite, -wie sie sonst besonders bei erhöhter Drehzahl infolge Bildung eines Wirbelkernes auftritt, vermieden -werden.
Bei der in Fig.4 dargestellten Ausführungsform ist das obere Ende des die Generator-welle durchdringenden Belüftungsrohres 18 von einem Luftzufuhrgebäuse 45 umschlossen. Mit 46 ist ein Schwimmerventil bezeichnet, welchem die Aufgabe zukommt, ein Rückströmen von Flüssigkeit zu verhindern.
Das Innere des Gehäuses 45 steht durch eine Leitung 47 mit eingebautem Drosselorgan 48 mit der Atmosphäre in Verbindung. Mit 9 ist wiederum der Leitradregulierring bezeichnet. An diesem ist eine Gleitbahn 49 befestigt, von welcher aus das Drosselorgan 48 beim Drehen des Regulierringes 9 betätigt wird. Diese Einrichtung gestattet somit über die Rohre 47 und 18 den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung 14 der Verstellstange in Abhängigkeit von der Öffnung des Leitapparates der Turbine. Die Wirkungsverbindung zwischen Regulierring und Drosselorgan wird dabei zweckmäßig so getroffen, daß das Drosselorgan nur bei großer Öffnung des Leitapparates, also bei großem Wasserdurchgang geöffnet wird.
ES ist auch möglich, die Anordnung nach Fig.3 mit jener nach Fig. 4 zu kombinieren, indem im Gehäuse 45 über dem Schwimmerventil 46 das von der Drehzahlsteigerung gesteuerte Ventil 42 aufgebaut wird. Durch eine solche Einrichtung wird dann ein Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur bei einer großen Öffnung des Leitapparates und bei gleichzeitiger Drehzahlsteigerung gestattet.
Um bei Regelvorgängen eine Zirkulation von Öl in den Ringkanälen 35 und 39 der Turbinen- bzw. Generatorwelle tunlichst zu vermeiden, werden die Verstellstange 10 und das Verlängerungsstück 16 zweckmäßig mit gleichem äußerem Durchmesser ausgeführt, so daß sich bei einer Bewegung des Laufradverstellmechanismus der Flüssigkeitsinhalt der Laufradnabe nicht ändert, also weder 01 verdrängt noch angesogen wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Einrichtung zur Verhinderung von Kavitationsersch,einungen an der Laufradnabe von Kaplanturbinen mittels Zuführung einer regelbaren Luftmenge durch die hohle Turbinenwelle an die Außenfläche des saugseitigen Teiles der Laufradnale, dadurch gekennzeichnet, daß die zur -'erstellung der Laufradschaufeln dienende Verste-llstange (10) in an sich bekannter Weise eine zentrale Bohrung (14) aufweist, und daß diese Bohrung über eine zentrale Bohrung (15) eines die Laufradnabe koaxial durchdringenden Verlängerungsstückes (16) der Verstellstange mit der Austrittseite des Laufrades in Verbindung steht.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem dem Turbinenlaufrad entgegengesetzten Ende der Verstellstange (10) ein mit deren zentraler Bohrung in Verbindung stehendes, der Luftzufuhr dienendes Rohr (18) angeschlossen ist, welches die ganze Welle des von der Turbine angetriebenen Generators durchdringt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel, welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur dann gestatten, wenn die Drehzahl des Laufrades den normalen Betriebsdrehzahlbereich um einen gewissen Wert überschreitet.
4. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des die Generatorwelle durchdringenden Rohres (18) in an sich bekannter Weise ein durch die Wirkung eines Fliehkraftreglers (43) betätigtes Abschlußorgan (42) angeordnet ist, welches durch diesen Fliehkraftregler nur offengehalten wird, wenn die Drehzahl des Laufrades den normalen Betriebsdrehz.ahlbereich um einen gewissen Wert überschreitet.
5. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (20), welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur gestatten, wenn der Unterdruck an der Austrittseite des Laufrades einen gewissen Wert übersteigt.
6. Einrichtung nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß am freien Ende des die Generatorwelle durchdringenden Rohres (18) ein federbelastetes Abschlußorgan (20) angeordnet ist, welches nur unter dem Einfluß eines einen gewissen Wert überschreitenden Unterdruckes im Rohr gegenüber der Atmosphäre offengehalten wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 3, gekennzeichnet durch Mittel (48, 49), welche den Zutritt von Luft in die zentrale Bohrung der Verstellstange nur bei großer Öffnung des Leitapparates der Turbine gestatten. B. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verlängerungsstück (16) der Verstellstange (10) gleichen Außendurchmesser hat wie die Verstellstange. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 28143, 279 351, 408 340; österreichische Patentschrift Nr. 175 217.