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Die
Erfindung betrifft eine Turbine oder -Pumpe oder -Pumpturbine, insbesondere
die Gestaltung der Laufradnabe einer solchen Turbine zur optimierten
Ableitung des Wassers aus der Turbine in Richtung Unterwasser. Die
Erfindung betrifft in erster Linie Francis-Maschinen, es kommen
aber auch Kaplan- und Pumpturbinen in Betracht.
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An
Wasserturbinen wie Francis-Turbinen werden zunehmend höhere Anforderungen
hinsichtlich des Wirkungsgrades und des möglichst ausgedehnten Arbeitsbereiches
gestellt. Wünschenswert ist
ein variabler Einsatz hinsichtlich der Wasserdurchflussmenge vom
extremen Teillastbetrieb bis hin zum Überlastbetrieb. In allen Lastbereichen
soll ein möglichst
hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig schwingungsfreiem Lauf der Turbine
erreicht werden.
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Francis-Turbinen
werden an unterschiedliche Betriebsbedingungen durch die Verstellung
der Leitschaufeln angepasst. Dennoch treten insbesondere unter Teillast
instationäre
Strömungsverhältnisse
auf, die zu starken Schwingungen an der Maschine führen. Materialschäden als
Folge können
insbesondere dann eintreten, wenn die Eigenfrequenzen von Bauteilen
mit diesen Schwingungen übereinstimmen.
Eine weitere negative Folge von Turbinenvibrationen sind vor allem
für große Maschinen
die Auswirkungen, die diese Schwingungen auf das Stromnetz haben.
Gleichlaufunruhen werden über
den Generator in das Stromnetz eingekoppelt und machen sich dort
als Spannungsschwankungen unangenehm bemerkbar. Daraus ergeben sich
nachteilige Einschränkungen
des Turbinenbetriebsbereichs. So sind kritische Teillastbereiche
beim Hochfahren der Turbine besonders schnell zu durchfahren und
im Dauerbetrieb zu vermeiden. Außerdem findet eine unerwünschte gegenseitige
Beeinflussung wasserführender
Systeme statt.
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Beim
optimalen Betrieb einer Francis-Turbine, also im sogenannten Bestpunkt,
strömt
das Wasser aus der Einlaufspirale axial symmetrisch in das Laufrad,
wird dort von den Laufschaufeln so umgelenkt, dass es axial in das
Saugrohr einströmt
und dort zum Unterwasser abgeleitet wird. Bei einem derart idealen
Betrieb ist die Strömung
im Saugrohr nahezu drallfrei. Bei Betriebszuständen der Turbine außerhalb
des Bestpunktes ist diese Drallfreiheit der Abströmung nach
dem Laufrad nicht mehr gegeben. Der ursächliche Zusammenhang zwischen
der rotativen Komponente der Strömung
im Saugrohr und den Maschinenschwingungen ist bekannt. Zur Stabilisierung
der Strömung
im Saugrohr und zur Unterdrückung
des Dralls werden nach dem heutigen Stand der Technik Leitbleche
entlang des Saugrohres eingebracht. Derartige Leitbleche können als
Finnen ausgebildet sein, die in axialer Richtung orientiert sind.
Dies führt
zu einer Unterdrückung
des Dralls im Saugrohr, ist aber mit dem Nachteil eines verminderten
Wirkungsgrades verbunden.
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Zur
Lösung
dieses Problems wurden variable Leitbleche entwickelt, die entsprechend
den Strömungsverhältnissen
ein- und ausgefahren werden können.
Weitere Bauformen von Leitblechen sind parallel zu den Wandflächen des
Saugrohres orientiert und verhindern somit durch die Stabilisierung
der Strömung
zwischen Leitblech und Saugrohrwand ein Ablösen von Strömungsbereichen. Wie die zuvor
genannten finnenartigen Strukturen verringert auch diese Konstruktion
die Energieausbeute der Turbinen. Des Weiteren erhöhen derartige
statische oder variable Konstruktionen den Aufwand für die Herstellung und
Wartung von Turbinen und sind daher ein kostenrelevanter Faktor.
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Weitere
Lösungsansätze zur
Verringerung des Dralls und seiner Wirkung unter Teillastbedingungen
sind das Zuführen
von Luft oder Wasser in die instationäre Strömung. Bekannt sind Konstruktionsprinzipien,
bei denen Luft in das Laufrad oder in das Saugrohr von den Saugrohrwänden oder
der Achse des Laufrades aus eingeblasen werden. Ein derartiges Prinzip
geht beispielsweise aus der
DE
97 10 42 B hervor.
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Eine
Weiterführung
dieses Gedankens besteht darin, eine teils mit Wasser und Luft gefüllte Kammer
um das Saugrohr zu legen, die durch Öffnungen in der Saugrohrwand
in Kontakt zur Strömung
im Saugrohr steht. Durch diese findet das Zu- und Abströmen von
Luft und Wasser entsprechend der Druckverhältnisse in der Saugrohrströmung statt. Auch
diese Lösung
zur Drallkontrolle ist mit entsprechend konstruktivem Aufwand verbunden,
da hier neben der zusätzlichen
Druckkammer auch eine Regelung für
den Luftdruck in der Umgebungskammer aufgebaut werden muss.
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Aus
der
US 4 017 211 A ist
eine weitere Vorgehensweise bekannt geworden. Hierin wird vorgeschlagen,
zusätzliche
Finnen am Laufrad anzubringen, welche sich vom Leitschaufelgrund
in spiralförmiger
Anordnung zur stromabwärtigen
Begrenzung der Nabe des Laufrads erstrecken.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Laufradnabe für eine Wasser-Turbine oder -Pumpe
oder Pump-Turbine anzugeben, die gegenüber dem Stand der Technik erhebliche
Vorteile aufweist. Insbesondere soll die Nabe im Saugrohr den Effekt
von Druckschwankungen minimieren, wie sie aufgrund von drallbehafteter
Strömung
bei Teillastbedingungen auftreten. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale
von Anspruch 1 gelöst.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass es beim Betrieb einer Francis-Turbine
unter Teillast zur Ausbildung einer Rezirkulationszone hinter dem
Laufrad kommt. Die Übergangsschicht
zwischen diesem Bereich und der Hauptströmung ist gekennzeichnet durch
starke Geschwindigkeitsgradienten. Hydrodynamische Instabilitäten vom
Kelvin-Helmholtz-Typ führen
zur Ausbildung von Wirbelzöpfen,
die aufgrund der Gesamtrotation der Strömung eine rotative Komponente
besitzen. Dieser rotierender Wirbelzopf führt zu einem rotierenden Druck,
der im Bereich des Krümmers
des Saugrohres eine Kraftwirkung in axialer Richtung verursacht
und zu entsprechenden Druckschwankungen, die ebenfalls in axialer
Richtung und damit in Richtung der Turbine wirken. Des weiteren
ist es möglich,
dass diese axiale Druckschwankungen, verbunden mit dem helikal geformten
Wirbelzopf, zu Grenzschichtablösungen
im Wandbereich des Krümmers
führen,
die den Effekt der in axialer Richtung wirkenden Druckschwankungen
noch zusätzlich
verstärken.
Dies erklärt
die Entstehung der Druckschwankungen im Saugrohr abhängig von
der Rotationsfrequenz des Laufrades.
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Eine
weitere Komponente von stochastischen Druckschwankungen kann dadurch
entstehen, dass durch den helikalen Wirbelzopf lokale Druckbereiche
mit Drücken
unter dem Dampfdruck entstehen, was zur Bildung von Kavitationsblasen
führt. Beim
Zerplatzen dieser Kavitationsblasen entstehen zusätzliche
Spannungspulse.
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Gemäß der Erfindung
wird die Nabe des Laufrades – in
Bezug auf die Drehachse des Laufrades – asymmetrisch gestaltet. Dabei
ist die Ausdrucksweise „Asymmetrie" sehr umfassend zu
verstehen. Es kommen alle Lösungen
in Betracht, bei welchen die Nabe nicht rotationssymmetrisch gestaltet
ist. So kann die Nabe – auch „Abströmhaube" oder „Laufradmutter" genannt – in üblicher
Weise an ihrem Ende halbkugelig ausgebildet sein, jedoch auf einer Seite
der Drehachse durch eine zur Drehachse geneigte Ebene begrenzt.
Auch sind Aussparungen möglich,
beispielsweise solche, die gegen das Saugrohr hin offen sind, oder
Sackbohrungen, deren Öffnung
in Abströmrichtung
weisen. Auch sind Kombinationen der genannten Maßnahmen möglich, beispielsweise Anschrägungen der
Nabe in Kombination mit Bohrungen oder Aussparungen.
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Auch
können
der Nabe asymmetrische Vorsprünge
angeformt werden. So können
beispielsweise in den Nabenkörper
Stifte eingesetzt werden – immer
wieder asymmetrisch in Bezug auf die Drehachse des Laufrades.
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Durch
die genannten Maßnahmen
wird eine Kraft auf die Strömung
aufgebracht, die als Anregungskraft zum Beeinflussen des genannten
Wirbels oder Wirbelzopfes dient. Der Wirbel enthält eine andere Drehfrequenz
als bisher, und zwar eine solche, die sich weniger ungünstig auswirkt.
Es entstehen somit gar keine Druckpulsationen, oder nur solche von
geringerem Ausmaß.
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Der
Wirbel erhält
durch die Maßnahmen
gemäß der Erfindung
auch eine andere Form als bisher. Er wird „zerhackt" indem er abreißt und nicht mehr so stabil
ist wie bisher.
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Die
Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Francisturbine in einem Axialschnitt.
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2 numerische
Strömungssimulation
der Ausbildung eines Wirbelzopfes.
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3 einen
Laufrad-Ausschnitt in einem Axialschnitt.
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4 – 7 vier
verschiedene Nabenkonfigurationen.
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Die
in 1 gezeigte Francisturbine ist wie folgt aufgebaut:
Ein Laufrad 1 umfasst eine Mehrzahl von Laufschaufeln 1.1.
Es ist um eine Drehachse 1.2 drehbar.
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Das
Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 2 umgeben. Dem
Laufrad 1 ist ein Kranz von Leitschaufeln 3 vorgeschaltet.
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Die
Turbine weist ein Saugrohr 4 auf. Dieses umfasst einen
Eintrittsdiffusor 4.1 mit einer Achse 4.1.1, einen
sich daran anschließenden
Krümmer 4.2,
und sich daran anschließenden
Saugkasten 4.3. Siehe die ideelle Trennebene 1 zwischen
Eintrittsdiffusor 4.1 und Krümmer 4.2, sowie die
ideelle Trennebene II zwischen Krümmer 4.2 und Saugkasten 4.3.
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Der
Eintrittsdiffusor 4.1 kann bezüglich der Drehachse 1.2 asymmetrisch
gestaltet sein. Hierzu gibt es zahlreiche Möglichkeiten. So kann die Achse 4.1.1 des
Eintrittsdiffusors 4.1 gegenüber der Drehachse 1.2 versetzt
sein. Die Achse 4.1.1 des Eintrittsdiffusors kann gekrümmt sein.
Die Umfangswand des Eintrittsdiffusors 4.1 kann einseitig
ausgebaucht sein, bezogen auf die Drehachse 1.2. Der Querschnitt
des Eintrittsdiffusors 4.1 kann unrund sein, beispielsweise
elliptisch.
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Man
erkennt die Nabe 5. Diese ist an ihrem stromabwärtigen Ende
begrenzt durch eine in Bezug zur Drehachse 1.2 schräg stehende
Fläche 5.2.
Die schräge
Fläche
befindet sich auf der einen Seite der Drehachse 1.2.
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2 zeigt
eine numerische Strömungssimulation
im Arbeitsbereich der Teillast einer Francis-Turbine. Dargestellt
ist die Geschwindigkeitsverteilung der Strömung im Saugrohr mit der Ausbildung eines
helikalen Wirbelzopfes. Dieser löst
sich im Bereich des Krümmers
unter Dissipation von Energie auf. Bei diesem Prozess entstehen
aufgrund des rotierenden Druckfeldes des Wirbelzopfes Druckschwankungen,
die sich in axialer Richtung bis zur Turbine hin fortsetzen. Dieser
instationäre
Strömungszustand
ist die Ursache für
die von der Rotationsfrequenz abhängigen Schwingungen auf der
Turbine.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 3 erkennt
man wiederum als wichtigste Elemente eine Laufschaufel 1.1,
die Nabe 5 sowie die Drehachse 1.2. Die Nabe 5 ist
hier durch eine schräge
Fläche 5.2 begrenzt.
Hierbei stellt die schräge
Fläche 5.2 die einzige
stromabwärtige
Grenzfläche
der Nabe 5 dar.
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Man
erkennt außerdem
eine Sackbohrung 5.3. Diese ist in Bezug auf die Drehachse 5.2 exzentrisch
angeordnet.
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Statt
der Sackbohrung 5.3 oder zusätzlich zu dieser könnten auch
auf der einen Seite der Drehachse 1.2 weitere Bohrungen
vorgesehen werden, wiederum bezüglich
Größe und Anordnung
asymmetrisch zur Drehachse 1.2.
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Die 4 bis 7 veranschaulichen
jeweils schematisch eine Nabe 5, mit unterschiedlichen
Ausgestaltungen der Erfindung.
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So
weist die Nabe 5 gemäß 4 als
stromabwärtigen
Abschluss eine erste schräge
Fläche 5.2.1 und
eine zweite schräge
Fläche 5.2.2 auf.
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Die
Nabe 5 gemäß 5 weist
auf einer Seite der Drehachse 1.2 eine schalenartige Aussparung 5.4 auf.
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Die
Nabe 5 gemäß 6 ist
mit einer Reihe von Stiften 5.5 versehen, die auf der einen
Seite der Drehachse 1.2 in die Nabe 5 eingebracht
sind.
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Die
Nabe gemäß 7 ist
in ihrem Abströmbereich
durch eine Halbkugelfläche 5.1 und
eine schräge
Fläche 5.2 begrenzt.
Sie weist außerdem eine
in Bezug auf die Drehachse 1.2 exzentrisch angeordnete
Sackbohrung 5.3 auf.
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Die
Nabe 5 kann auch dadurch asymmetrisch gestaltet werden,
dass auf ihrer Außenfläche eine
Ausbeulung aufgebracht wird, beispielsweise mittels Auftragsschweißen.
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- 1
- Laufrad
- 1.1
- Laufschaufel
- 1.2
- Drehachse
des Laufrades
- 2
- Spiralgehäuse
- 3
- Leitschaufeln
- 4
- Saugrohr
- 4.1
- Eintrittsdiffusor
- 4.1.1
- Achse
des Eintrittsdiffusors
- 4.2
- Krümmer
- 4.3
- Saugkasten
- 5
- Nabe
- 5.1
- Halbkugelfläche
- 5.2
- schräge Fläche
- 5.2.1
- schräge Fläche
- 5.2.2
- schräge Fläche
- 5.3
- Sackbohrung
- 5.4
- schalenartige
Aussparung
- 5.5
- Stifte