DE102024115903B3

DE102024115903B3 - Pelton Turbine mit wenigstens vier Düsen und einem Zuführsystem und Verfahren zur Modernisierung eines bestehenden Wasserkraftwerkes

Info

Publication number: DE102024115903B3
Application number: DE102024115903.0A
Authority: DE
Inventors: Raphael Kern; Stefan Poxhofer; Thomas Mitschitz
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2024-06-07
Filing date: 2024-06-07
Publication date: 2025-08-14
Anticipated expiration: 2044-06-08
Also published as: WO2025252465A1

Abstract

Pelton Turbine umfassend ein Laufrad mit horizontaler Drehachse und ein Zuführsystem mit wenigstens vier Düsen, welche das Laufrad in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt umgeben, und wobei das Zuführsystem einen ersten Arm (1) und einen zweiten Arm (2) umfasst, und wobei der erste Arm (1) mit wenigstens zwei einander benachbarten Düsen verbunden ist, und wobei der zweite Arm (2) mit den restlichen Düsen verbunden ist, und wobei jeder Arm (1, 2) einen das Laufrad teilweise umschlingenden Strang umfasst, von dem jeweils wenigstens ein erstes Rohr zu einer ersten Düse abzweigt, und wobei eine weitere Düse das Ende des Stranges bildet, und wobei jeder Arm (1, 2) einen Krümmer (1.1, 2.1) und ein Anschlussrohrstück (1.2, 2.2) umfasst, und wobei die Achsen der Anschlussrohrstücke (1.2, 2.2) parallel zur Drehachse des Laufrades ausgerichtet sind, und wobei jedes Anschlussrohrstück (1.2, 2.2) über den zugehörigen Krümmer (1.1, 2.1) mit dem zugehörigen Strang verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pelton Turbine mit wenigstens vier Düsen und mit einem Zuführsystem für das Triebwasser und ein Verfahren zur Modernisierung eines bestehenden Wasserkraftwerkes mit Pelton Turbinen.
Dabei sind erfindungsgemäße Pelton Turbinen mit vier, fünf oder sechs Düsen besonders vorteilhaft. Erfindungsgemäße Pelton Turbinen mit gerader Düsenzahl kommen bei dem erfindungsgemäßen Modernisierungsverfahren zur Verwendung.
Die Erfindung wird dabei anhand der besonders vorteilhaften 6-düsigen Ausführungsform beschrieben. Ein Übertrag des erfindungsgemäßen Konzeptes auf Ausführungsformen mit anderer Düsenzahl ist für den Fachmann problemlos durchführbar.
6-düsige Pelton Turbinen mit einem Zuführsystem sind aus dem Stand der Technik bekannt. So offenbart die US 2 965 764 A beispielsweise eine 6-düsige Pelton Turbine mit einem Zuführsystem, welches über fast 360° um das Turbinenlaufrad geführt wird. Obwohl dieses Design viel Raum benötigt, wird es gewöhnlich bei 6-düsigen Pelton Turbinen mit vertikaler Drehachse eingesetzt. Eine 6-düsige Pelton Turbine mit horizontaler Drehachse wird in der EP 2 035 689 B1 offenbart. Das kostengünstige Zuführsystem besteht aus einem zentralen Verteilrohr, von dem 6 Zulaufleitungen abzweigen. Dabei verläuft das zentrale Verteilrohr in axialer Richtung der Turbine, und die Zulaufleitungen zweigen in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt in schräg-axialer Richtung vom zentralen Verteilrohr ab.
Bei der Modernisierung von bestehenden Wasserkraftwerken, welche Pelton Turbinen umfassen, stellt sich häufig die Aufgabe mehrere der bestehenden Turbinen durch größere bzw. leistungsstärkere Einheiten zusammenzufassen, um so den Wartungsaufwand zu reduzieren. Dazu ist es erforderlich die Durchflussmengen zu bündeln, indem die einzelnen Zuläufe der bestehenden Turbinen zusammengeführt werden.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pelton Turbine mit wenigstens vier Düsen, mit horizontaler Drehachse und mit einem alternativen Zuführsystem anzugeben, welches eine kompakte Bauweise aufweist. Außerdem ist die erfindungsgemäße Turbine sehr gut dazu geeignet, bestehende Wasserkraftwerke, welche Pelton Turbinen umfassen, zu modernisieren, da das erfindungsgemäße Design des Zuführsystems eine effiziente und kostengünstige Zusammenführung der bestehenden Zuläufe ermöglicht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ausführung entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung finden sich in den Unteransprüchen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren erläutert. Die Figuren zeigen im Einzelnen:

1: Erfindungsgemäße Pelton Turbine in Seitenansicht
2: Erfindungsgemäße Pelton Turbine in Draufsicht
3: Wasserkraftwerk vor einer Modernisierung
4: Wasserkraftwerk nach der Modernisierung
5: Wasserkraftwerk nach der Modernisierung
6: Wasserkraftwerk vor einer Modernisierung
7: Wasserkraftwerk nach der Modernisierung

1 zeigt eine erfindungsgemäße 6-düsige Pelton Turbine in Seitenansicht. Die Turbine umfasst ein Laufrad mit horizontaler Drehachse und ein Zuführsystem mit sechs Düsen, welche das Laufrad in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt umgeben. Das Laufrad umfasst eine Vielzahl von Bechern, welche während des Betriebs durch die Düsen mit Triebwasser beaufschlagt werden. Das Zuführsystem umfasst zwei Arme, von denen ein erster Arm mit 1 und ein zweiter Arm mit 2 bezeichnet ist. Der erste Arm ist mit drei einander benachbarten Düsen verbunden, und der zweite Arm ist mit den restlichen Düsen verbunden. Jeder Arm umfasst einen das Laufrad teilweise umschlingenden Strang, von dem sukzessive zwei Rohre zu je einer Düse abzweigen, und wobei eine dritte Düse das Ende des Stranges bildet.
Bei einer 4-düsigen Ausführungsform würde jeder Strang zwei Düsen umfassen. Bei einer 5-düsigen Ausführungsform würde einer der Stränge zwei Düsen und der andere Strang 3 Düsen umfassen. Bei Ausführungsformen mit ungerader Düsenzahl unterscheiden sich die Arme wenigstens dadurch, dass sich die Anzahl der Düsen in den beiden Armen um eins unterscheiden, d.h. in jedem Fall werden die Düsen so gut wie möglich gleichmäßig auf die beiden Arme verteilt.
2 zeigt die erfindungsgemäße Pelton Turbine in Draufsicht. Das Laufrad ist in einem Turbinengehäuse angeordnet, welches mit 3 bezeichnet ist. In 1 ist das Turbinengehäuse der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Das Laufrad ist ferner mit einem Generator verbunden, welcher mit 4 bezeichnet ist. Die oben und unten mittig verlaufenden gestrichelten Linienabschnitte deuten dabei die kollinearen Drehachsen des Laufrades und des Generators an. Jeder Arm umfasst einen Krümmer, welcher mit 1.1 bzw. 2.1 bezeichnet ist, und ein Anschlussrohrstück, welches mit 1.2 bzw. 2.2 bezeichnet ist. Die Achsen der Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 sind durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Achsen der Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 sind parallel zur Drehachse des Laufrades ausgerichtet. Die Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 sind über die Krümmer 1.1 und 2.1 mit den zugehörigen Strängen verbunden. Die Krümmer 1.1 und 2.1 bewirken daher eine 90° Umlenkung der Flussrichtung im jeweiligen Arm (von einer achsparallelen Richtung in eine Richtung tangential zur Achse).
In der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform liegen die Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 auf derselben Seite des Laufrades. Das hat den Vorteil, dass die Turbine kompakt aufgebaut ist. Die Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 können jedoch auch auf die beiden Seiten des Laufrades verteilt sein, d.h. beispielsweise könnte das Anschlussrohrstück 1.2 in 2 auch oberhalb des Laufrades angeordnet sein, und seine Öffnung nach oben weisen. Das kann dann von Vorteil sein, wenn die erfindungsgemäße Turbine zur Modernisierung eines Wasserkraftwerkes verwendet wird, bei dem die Zuleitungen zu zwei benachbarten bestehenden Turbinen von entgegengesetzten Richtungen her auf dieselben zulaufen. Dabei werden die beiden Seiten des Laufrades durch eine Ebene voneinander geschieden, welche durch die Mittellinien der Becher des Laufrades definiert wird.
In der Ausführungsform gemäß 2 ist der Generator 4 auf der Seite des Laufrades angeordnet, an dem sich auch die Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 befinden. Auch das führt zu einer sehr kompakten Bauweise. Der Generator 4 könnte auch auf der anderen Seite angeordnet sein. Das kann dann von Vorteil sein, wenn die erfindungsgemäße Turbine Teil einer Tandemeinheit ist, d.h. wenn je zwei erfindungsgemäße Turbinen mit einem Generator verbunden sind. Der Generator 4 ist dann zwischen den zwei Turbinen angeordnet und die vier Anschlussrohrstücke laufen vom Generator weg nach außen.
Bei der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform sind die beiden Arme 1 und 2 identisch aufgebaut, was vorteilhaft für die kostengünstige Fertigung der Turbine ist. Der identische Aufbau führt dazu, dass die Drehachse mittig zwischen den Achsen der Anschlussrohrstücke 1.2 und 2.2 angeordnet ist (alle diese Achsen liegen dann auch in einer Ebene). Dies ist zudem vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Turbine für die Modernisierung eines bestehenden Kraftwerkes verwendet wird. Die beiden Arme können nur bei Ausführungsformen mit gerader Düsenzahl identisch aufgebaut sein.
Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Modernisierungsverfahren eines bestehenden Wasserkraftwerkes anhand den 3 und 4 beschrieben. Die in diesen Figuren gezeigte Konfiguration des bestehenden Wasserkraftwerkes und der für die Modernisierung verwendeten erfindungsgemäßen Pelton Turbinen wurde gewählt, da bei derselben besonders viele Vorteile realisiert werden können. Anhand der Beschreibung für diese Konfiguration kann der Fachmann unschwer das erfindungsgemäße Modernisierungsverfahren auf andere Konfigurationen übertragen.
3 zeigt ein bestehendes Wasserkraftwerk vor der Durchführung der Modernisierung in Draufsicht. Das Wasserkraftwerk umfasst insgesamt vier Pelton Turbinen, wobei jeweils zwei Pelton Turbinen zusammen mit einem Generator eine Tandemeinheit bilden. Einer der beiden Generatoren ist mit 7 bezeichnet. Die zugehörigen Pelton Turbinen sind mit 6.1 und 6.2 bezeichnet. Bei den bestehenden Pelton Turbinen handelt es sich um 2-düsige Varianten mit horizontaler Drehachse. Die Versorgung der Pelton Turbinen mit Triebwasser erfolgt über eine gemeinsame Druckrohrleitung, welche im unteren Teil der Figur dargestellt ist. Von der Druckrohrleitung zweigt für jede Pelton Turbine eine Zulaufleitung ab. In jeder Zulaufleitung ist ein Absperrorgan angeordnet. Eines der Absperrorgane ist mit 5 bezeichnet. Die gestrichelte waagrechte Linie verläuft am Ende der Zulaufleitungen und deutet die Schnittstelle zwischen den wiederverwerteten Teilen und denjenigen Teilen an, welche bei der Modernisierung ersetzt werden. Die in 3 unterhalb der gestrichelten Linie angeordneten Teile werden wiederverwendet.
4 zeigt das Wasserkraftwerk aus 3 nach der Durchführung der Modernisierung. Jeweils zwei zu einer Tandemeinheit gehörigen bestehenden Pelton Turbinen wurden durch eine neue erfindungsgemäße Pelton Turbine ersetzt. Dabei wurden die Anschlussrohrstücke der neuen erfindungsgemäßen Pelton Turbinen mit den entsprechenden Zulaufleitungen verbunden. Da die zu zwei benachbarten bestehenden Pelton Turbinen gehörigen Zulaufleitungen parallel zueinander verlaufen, konnte die Verbindung mit den Anschlussrohrstücken ohne besondere Adaptierung erfolgen. Der laterale Abstand der Anschlussrohrstücke zueinander kann bei einer erfindungsgemäßen Pelton Turbine durch eine Anpassung der Rohrsegmente der Arme 1 und 2 variiert werden, welche zwischen der ersten Düsenabzweigung und den Krümmern angeordnet sind. Dabei sind diesem Abstand zu kleinen Werten hin gewisse Grenzen gesetzt.
Da bei der Modernisierung alle Absperrorgane erhalten bleiben, muss bei der Modernisierung die Druckrohrleitung nicht entwässert werden. Vielmehr kann während dem Abbau der einen Tandemeinheit die andere Tandemeinheit weiter betrieben werden. Dadurch wird die Ausfallzeit bei der Modernisierung minimal gehalten. Im beschriebenen Beispiel werden zwei 2-düsige Pelton Turbinen durch eine 6-düsige Pelton Turbine ersetzt. Obwohl der gegebene Durchfluss nur mehr über ein Laufrad abgearbeitet wird, kann mit der Düsenzahl die Leistungsdichte erhöht und das Teillastverhalten verbessert werden, weil sich die Ventilationsverluste reduzieren. Da Maschinen mit größerer Düsenzahl bei höherer Geschwindigkeit betrieben werden, ergibt sich außerdem eine kompakte Bauweise. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die bestehenden Unterwasserkanäle unter Verwendung der bestehenden Generatorgrube zu einem Kanal verbunden werden können, über welchen die Entwässerung der neuen erfindungsgemäßen Turbine erfolgen kann.
Bei der Modernisierung kommen erfindungsgemäße Pelton Turbinen mit gerader Düsenzahl zum Einsatz.
Die Anwendung des erfindungsgemäßen Modernisierungsverfahren ist nicht auf Wasserkraftwerke mit Tandemeinheiten beschränkt. Genauso gut können zwei separate Pelton Turbinen mit jeweils einem zugehörigen Generator durch eine erfindungsgemäße Pelton Turbine mit einem Generator ersetzt werden.
Im Folgenden werden noch weitere Konfigurationen für eine erfindungsgemäße Modernisierung beispielhaft in kurzer Form beschrieben.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Modernisierungsverfahren kann an einem bestehenden Kraftwerk durchgeführt werden, welches in einer Spiegelung von 3 am oberen Rand der Figur besteht. D.h. das bestehende Kraftwerk umfasst zwei Reihen von Tandemeinheiten, welche von zwei auf beiden Seiten angeordneten Druckrohrleitungen mit Triebwasser versorgt werden. Bei der Modernisierung werden dann jeweils zwei der bestehenden Tandemeinheiten durch eine neue Tandemeinheit mit zwei erfindungsgemäßen Pelton Turbinen ersetzt. 5 zeigt das Wasserkraftwerk nach der Modernisierung.
6 zeigt ein weiteres Wasserkraftwerk vor der Modernisierung. Das Kraftwerk umfasst vier separate Pelton Turbinen mit jeweils einem Generator. Die Turbinen werden von zwei lateral angeordneten Druckrohrleitungen gespeist. 7 zeigt das Kraftwerk aus 6 nach der Modernisierung. Das modernisierte Kraftwerk umfasst zwei erfindungsgemäße Pelton Turbinen, bei denen die Anschlussrohrstücke auf unterschiedlichen Seiten der zugehörigen Laufräder angeordnet sind.
Abschließend sei nochmals betont, dass die erfindungsgemäßen Pelton Turbinen nicht nur bei der Modernisierung von bestehenden Wasserkraftwerken eingesetzt werden können, sondern vorteilhaft aufgrund des kompakten Designs auch bei Neuanlagen realisiert werden können. D.h. die in den 4, 5 und 7 gezeigten Ausführungsformen könnten auch als Neuanlagen ausgeführt werden. Bei Neuanlagen können auch Ausführungsformen mit ungerader Düsenzahl vorteilhaft zur Anwendung kommen.
Bezugszeichenliste

1: Erster Arm
1.1: Krümmer
1.2: Anschlussrohrstück
2: Zweiter Arm
2.1: Krümmer
2.2: Anschlussrohrstück
3: Turbinengehäuse
4: Generator
5: Absperrorgan
6.1: Pelton Turbine
6.2: Pelton Turbine
7: Generator

Claims

Pelton Turbine umfassend ein Laufrad mit horizontaler Drehachse und ein Zuführsystem mit wenigstens vier Düsen, welche das Laufrad in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt umgeben, dadurch gekennzeichnet, dass das Zuführsystem einen ersten Arm (1) und einen zweiten Arm (2) umfasst, und wobei der erste Arm (1) mit wenigstens zwei einander benachbarten Düsen verbunden ist, und wobei der zweite Arm (2) mit den restlichen Düsen verbunden ist, und wobei jeder Arm (1, 2) einen das Laufrad teilweise umschlingenden Strang umfasst, von dem jeweils wenigstens ein erstes Rohr zu einer ersten Düse abzweigt, und wobei eine weitere Düse das Ende des Stranges bildet, und wobei jeder Arm (1, 2) einen Krümmer (1.1, 2.1) und ein Anschlussrohrstück (1.2, 2.2) umfasst, und wobei die Achsen der Anschlussrohrstücke (1.2, 2.2) parallel zur Drehachse des Laufrades ausgerichtet sind, und wobei jedes Anschlussrohrstück (1.2, 2.2) über den zugehörigen Krümmer (1.1, 2.1) mit dem zugehörigen Strang verbunden ist.
Pelton Turbine nach Anspruch 1, wobei die Pelton Turbine sechs Düsen umfasst, und wobei der erste Arm (1) mit drei einander benachbarten Düsen verbunden ist, und wobei von jedem Strang jeweils sukzessive ein erstes Rohr zu einer ersten Düse und ein zweites Rohr zu einer zweiten Düse abzweigt, und wobei eine dritte Düse das Ende des Stranges bildet.
Pelton Turbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei das eine Anschlussrohrstück (1.2) auf einer ersten Seite des Laufrades angeordnet ist, und wobei das andere Anschlussrohrstück (2.2) auf derselben Seite des Laufrades angeordnet ist.
Pelton Turbine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Anzahl der Düsen geradzahlig ist und die beiden Arme (1, 2) identisch aufgebaut sind.
Pelton Turbine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei diejenige Seite des Laufrades mit einem Generator (4) verbindbar ist, auf der die Anschlussrohrstücke (1.2, 2.2) angeordnet sind.
Pelton Turbine nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei diejenige Seite des Laufrades mit einem Generator (4) verbindbar ist, auf der die Anschlussrohrstücke (1.2, 2.2) nicht angeordnet sind, und wobei die Pelton Turbine dazu vorgesehen ist, einen Teil einer Tandemeinheit zu bilden.
Pelton Turbine nach Anspruch 1 oder 2, wobei das eine Anschlussrohrstück (1.2) auf einer ersten Seite des Laufrades angeordnet ist, und wobei das andere Anschlussrohrstück (2.2) auf der anderen Seite des Laufrades angeordnet ist.
Verfahren zur Modernisierung eines bestehenden Wasserkraftwerkes mit wenigstens zwei Pelton Turbinen (6.1, 6.2), wobei das Wasserkraftwerk für eine erste bestehende Pelton Turbine (6.1) eine erste bestehende Zulaufleitung umfasst, und wobei das Wasserkraftwerk für eine zweite bestehende Pelton Turbine (6.2) eine zweite bestehende Zulaufleitung umfasst, und wobei die zwei bestehenden Pelton Turbinen (6.1, 6.2) durch eine neue Pelton Turbine mit gerader Düsenzahl gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ersetzt werden, und wobei ein erstes Anschlussrohrstück (1.2) der neuen Pelton Turbine mit der ersten bestehenden Zulaufleitung verbunden wird, und wobei ein zweites Anschlussrohrstück (2.2) der neuen Pelton Turbine mit der zweiten bestehenden Zulaufleitung verbunden wird.