-
Diffusor für Strömungsmaschinen, insbesondere als Saugrohr bzw. Saugkrümmer
für Wasserturbinen Die Erfindung bezieht sich auf einen Diffusor für Strömungsmaschinen
und insbesondere in seiner Anwendung als Saugrohr bzw. Saugkrümmer für Wasserturbinen,
vorzugsweise für Kaplanturbinen.
-
Diflusoren dienen zur Umwandlung von Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie.
Zum Beispiel verläßt die in Wasserturbinen verarbeitete Flüssigkeit das Laufrad
mit einer Geschwindigkeit, die noch eine erhebliche kinetische Energie darstellt.
Diese wird in einem als Diffusor ausgebildeten Saugrohr zum Teil in Druckenergie
umgesetzt. Der zulässige größte Erweiterungswirtkel eines solchen Saugrohres beträgt
bei drallfreier Strömung etwa 9Q. Ein etwa bis zu 2' größerer Erweiterungswinkel
kann dann gewählt werden, wenn die strömende Flüssigkeit mit einem Drall behaftet
ist. Bei einem zur Verringerung der Länge des Saugrohres gewählten größeren Winkel
würde die Grenzschicht der Strömung nicht mehr den, Wänden. des. Saugrohres folgen,
sondern sich-. von ihnen ablösen. Dies führt zu unzulässigen. Verlusten-,
d. h. der Wirkungsgrad der Umsetzung von kinetischer Energie in Druckenergie
würde> zu schlecht. Da außerdem auch die Wandreibung zu Verlusten führt, nimmt der
Wirkungsgrad der Energieumwandlung auch mit der Länge eines Diffusors ab. Bei den
bei Wasserturbinen aus baulichen Gründen an Stelle eines geraden Saugrohres meist
verwendeten sogenannten Saugkrümmern treten durch die Umlenkung noch zusätzliche
Verluste auf, abgesehen von der Tatsache, daß die Reibungsverluste bei Saugkrümmern
ohnehin, größer sind als bei geraden Saugrohren, Bei den immer mehr zunehmenden
Leistungen und damit größer werdenden Dimensionen derartiger Anlagen schlägt sich
naturgemäß jede auch nur geringfügige Verkürzung der Bauhöhe eine-s solchen Saugkrümmers
in einer wesentlichen Verringerung der Baukosten nieder, da,. abgesehen von dem
geringeren Materialbedarf für das Saugrohr, beträchtliche Einsparungen an Erd- und
Felsarbeiten erzielt werden können. Das Bestreben geht deshalb dahin, durch geeignete
Maßnahmen unter Aufrechterhaltung des Wirkungsgrades, die Baulänge bzw.. -höhe derartiger
Saugrohre oder Saugkrümmer zu verringern" d. h. auf einer kürzeren Strecke
die gleichen beträchtlichen kinetischen Energien bei gleichbleibendem Wirkungsgrad
in Druckenergie umzusetzen.
-
Zu diesem Zweck ist bereits die Maßnahme bekannt, größere Erweiterungswinkel
zu wählen und zur Verhinderung der Ablösung und. Wirbelbildung die Grenzschicht
durch die Wandung. hindurch, z. B, durch Schlitze, oder porös ausgebildete Wandungsiteile
abzusaugen, Solche, Schlitze bzw. poröse Rohrwandungen setzen sich jedoch trotz.
entsprechender Vorkehrungen relativ schnell mit Fremdkörpern zu
und- verlieren
damit ihre Wirkung.
-
Es ist ferner bekannt, den in divergenten Kanälen vorhandenen. statischen
Druckunterschied zur selbsttätig wirkenden Absangung der abgebremsten Wandschichten
durch öffnungen an'der Wand, wo, die Strömung sich ablöst, und zur Wiedereinführting
der abgesaugten Flüssigkeit durch die öffnungen an der gegenüber der Ablösungswand
liegenden Wand zu benutzen. Merbei geht jedoch die direkt aus der Hauptströmung
genommene Energie dem Hauptstrom verloren.
-
Man hat deshalb auch schon als Einrichtung zum Anblasen der Grenzschicht
an der Wand des Diffusors einen oder mehrere tangential zur Huuptströmung mündende
Schlitze: vorgesehen, die mit dem Unterwasserraum durch kurze, strömungsgünstig
ausgebildete Kanäle in Verbindung stehen.
-
Auch hier besteht die Gefahr, daß sich die relativ engen Schlitze.
durch. Verunreinigungen des Wassers zusetzen, Außerdem ist diese Konstruktion für
größere Anlagen sehr, kompliziert und aufwendig.
-
Der Erfindung liegt. die Aufgabe zugrunde, einen Diffusor für Strömungsmaschinen,
insbesondere als Saugrohr bzw. Saugkrümmer für Wasserturbinen, vorzugsweise für
Kaplantarbinen, zu schaffend der die
kinetische EnenIlie in Druckenergie
auf einer möo,-lichst kurzen Strecke umsetzt und der die aufgezeigten Nachteile
der bekannten Einrichtungen nicht hat.
-
Bei der Lösung dieses Problems ging der Erfinder von der Erkenntnis
aus, daß die physikalisch möglichen Begrenzungen strömender Medien, wie etwa von
Flüssigkeiten, sowohl aus festen Wänden als auch aus sogenannten' freien Trennflächen
oder Trennschichten bestehen können. Diese trennen eine Hauptströmung von den übrigen
Gebieten des vorhandenen Kanals, die zwar mit derselben Flüssigkeit Crefüllt sind,
aber außerhalb der Hauptströmung liegen. Das Verhalten der Flüssigkeit in einem
solchen Nebengebiet hängt sowohl von der Form der freien Trennflächen oder -schichten
als auch von der Struktur der Trennschicht selbst ab. In einer dickeren Trennschicht
wird die örtliche Geschwindigkeit der anliegenden Außenströmung weitgehend vermindert,
so daß in einem durch eine, freie dicke Trennschicht begrenzten Nebengebiet, dessen
Abmessungen zur Dicke der Trennschicht relativ groß sind, nur geringe Bewegungen
auftreten.
-
Eine dünne Trennschicht dagegen überträgt den größten Teil der örtlichen
Geschwindigkeit der anliegenden Hauptströmung an die im Nebengebiet eingeschlossene
Flüssigkeit. Dadurch entsteht dort eine sogenannte Walze, d. h. eine rotierende
Nebenströmung. Bei genügend großer örtlicher Geschwindigkeit an der Trennschicht
zwischen der Hauptströmung und dem Nebengebiet weist die Trennschicht eine Stabilität
ihrer-Form auf, die auch der Hauptströmung einen stabilen Verlauf verleihen kann.
-
Weiterhin folgt bekanntlich jede Hauptströmung stets ihrer freien
Begrenzung. Die freien Begrenzungen ermöglichen eine wesentlich stärkere Verzögefung
der Hauptströmung, deren Druckgradient somit Wesentlich größer sein kann als der
größtmögliche Druckgradient derselben Strömung mit festen Be-,grenzungen.
-
Basierend auf dieser Erkenntnis besteht die Erfindung nun darin, daß
die Diffusorwand innen mindestens eine an sich bekannte, sich vorzugsweise über
den gesamten Umfaüg erstreckende plötzliche stufenförmige Erweiterung #aufweist
' die sich an einen in Strömungsrichtung geraden oder stetig gekrümmten Flächenteil
mit einer das Ablösen der Grenzschicht des strömenden Mediums vermeidenden Neigung
gegenüber der Mittelachse des Diffusors anschließt, und daß ferner der die Wandteile
des Diffusors vor und hinter der stufenförmigen Erweiterung verbindende Wandteil
hinterschnitten ist und eine in Strömungsrichtung lippenförmig verlängerte Austrittskante
bildet. Dabei stellt sich am Beginn der Erweiterung ansetzend durch die Strömung
eine freie Trennschicht zwischen der Strömung und der hinter der Erweiterung auftretenden
Nebenströmung ein, deren mittlere Neigung gegenüber der Mittelachse größer ist als
die Neigung des geraden bzw. stetig gekrümmten Flächenteils.
-
Die Erfindung kommt besonders vorteilhaft bei Saugkrüm-rnern für Kaplanturbinen
zur Geltung, bei denen sich die Grenzschicht leicht von der Wandoberfläche des Saugkrümmers
ablöst, da die Austrittsströmung aus den Kaplanlaufrädern in einem sehr großen Bereich
des Kennfeldes drallfrei oder zumindest dr-a-Harm ist-.
-
Ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Saugkrümmer für Kaplanturbinen
kann wesentlich stärker erweitert und damit kürzer ausgebildet werden als dies bisher
möglich war. Dies wiederum hat geringere Erd- und Felsarbeiten und damit eine erhebliche
Kostensenkung zur Folge. Die Reibungsverluste in der jeweiligen Trennschicht sind
wesentlich geringer als diejenigen in der entsprechenden Grenzschicht an der festen
Wand.
-
Es besteht aber auch die Möglichkeit, anstatt die baulichen Dimensionen
des Krümmers zu verringern, bei einer vorgegebenen Tiefen- bzw. Längenerstrekkung
des Krümmers den Wirkungsgrad der Umsetzung der kinetischen Energie in Druck durch
seine entsprechende Ausbildung gemäß der Erfindung zu verbessern.
-
Die dünne freie Trennschicht bildet sich aus dem nicht abgelösten
Grenzschichtinaterial der Strömung entlang der festen Begrenzung. Um eine wirklich
dünne Trennschicht zu erhalten, darf sich die Grenzschicht an der festen Begrenzung
auf keinen Fall vor der stufenförmigen Erweiterung ablösen, da sich sonst eine unwirksame
dicke Trennschicht bilden würde.
-
Durch die Hinterschneidung wird die Bildung von rotierenden Nebenströmungen
wesentlich begünstigt. Die Form dieses hinterschnittenen Wandteiles kann konkav,
vorzugsweise halbkreisförmig, ausgerundet sein. Es kommen jedoch auch andere
Formen in Frage. Aus fertigungstechnischen Gründen kann dieser Wandteil beispielsweise
im wesentlichen als ebene Fläche ausgebildet oder aus zwei zueinander im Winkel
stehenden Flächen gebildet sein.
-
Besonders günstig ist es hierbei, die lippenförmig verlängerte Austrittskante
mit einer gleichförmigen Dicke auf einer Länge von etwa 0,2- bis 1,0-, vorzugsweise
0,6mal dem Radius der an sie nach hinten anschließenden halbkreisförmigen Ausrundung
auszubilden.
-
Durch diese Gestaltung der stufenförmigen Erweiterung und durch die
erwähnte Dimensionierung der verlängerten Austrittskante wird ein paralleler Verlauf
der Grenzstromlinien der Hauptströmung und der Nebenströmung dicht hinter dem Ende
der Austrittskante erzielt, wobei die örtlichen Geschwindigkeiten der genannten
Grenzstromlinien fast gleich bzw. nur wenig voneinander verschieden sind.
-
Wird der durch die Hinterschneidung und die verlängerte Austrittskante
gebildete abgeteilte Raum aus fertigungstechnischen Gründen im wesentlichen mit
rechteckigem Querschnitt ausgebildet, was auch noch zu recht brauchbaren Ergebnissen
führt, so erhält der rechteckige Querschnitt zweckmäßigerweise in Strömungsrichtung
eine Seitenlänge, die etwa 1,1- bis 1,5-, vorzugsweise jedoch 1,3mal
der Tiefe der stufenförmigen Erweiterung entspricht.
-
Der Abstand zwischen mehreren stufenförmigen Erweiterungen soll auf
jeden Fall von einer Größe sein, die gewährleistet, daß eine Ablösung der Strömung
von der festen Begrenzungswand keinesfalls vor der Erweiterung eintritt. Diese Bedingung
kann dazu führen, daß beispielsweise bei mehr als zwei stufenförrnigen Erweiterungen
diese voneinander verschiedenen Abstand haben. Desgleichen kann aus diesem
Grund der Abstand zwischen ihnen entlang dem Umfang verschieden groß sein, wie z.
B. an solchen Stellen des Krümmers, an denen die Strömung sich auf gegenüberliegenden
Seiten in unterschiedlichen Höhenabständen ablösen würde, wie etwa ün Bereich der
Krümmung, an deren Außenseite die
Strömung von vornherein weniger
zum Ablösen neigt, als an deren Innenseite. Deshalb ist es in diesem Bereich gegebenenfalls
auch zweckmäßig, die stufenförmige Erweiterung sich nicht über den gesamten Umfang
des Saugkrümmers erstrecken zu lassen, sondern nur über einen allerdings noch wesentlichen
Teil des-,selben, wie z. B. über den halben Umfang.
-
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Darin zeigt F i g. 1 einen Längsschnitt
durch die Wand eines Diffusors im Bereich einer stufenförmigen Erweiterung, F i
g. 2 bis 4 mögliche weitere Formen einer solchen stufenförmigen Erweiterung
und F i g. 5 ein Beispiel für die Anwendung bei einem Saugkrümmer für eine
Kaplanturbine.
-
An Hand von Fig. 1 ist das prinzipielle hydraulische Verhalten
der Strömung bei einem Diffusor mit einer stufenförmigen Erweiterung gemäß der Erfindung
beschrieben. Die Mittelachse des von links nach rechts durchströmten Diffusors ist
mit 1 bezeichnet. Die feste Begrenzungswand 2 des Diffusors ist gegenüber
der Mittelachse 1 zur Erzielung der Diffusorwirkung geneigt angeordnet, wobei
der Neigungswinkel gerade so groß gewählt ist, daß mit Sicherheit ein Anliegen der
Strömung 3 an der festen Begrenzungswand 2 gewährleistet ist und kein
Ab-
lösen eintreten kann. Die feste Begrenzungswand 2 endet in einer lipppnförmig
verlängerten Austrittskante 5 und ist mit der Begrenzungswand 4 über den
hinterschnittenen Wandteil 6 verbunden, dessen Hinterschneidung halbkreisförmig
ausgerundet ist.
-
Die Strömung 3 verläßt die feste Begrenzungswand 2 am Ende
der Austrittskante 5. Dabei entsteht die dünne Trennschicht 7 als
freie Begrenzung zwischen der Strömung 3 und einer unter der Wirkung der
dünnen Trennschicht 7 gebildeten rotierenden Nebenströmung 8, einer
sogenannten Walze, in dem durch die verlängerte Austrittskante 5 und dem
hinterschnittenen Wandteil 6 sowie dem Beginn der nach der stufenförmigen
Erweiterung sich fortsetzenden festen Begrenzungswand 4 abgeteilten Raum.
-
Die Tiefenerstreckung der stufenförmigen Erweiterung, d. h.
in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Durchmesser 2R der halbkreisförmigen
Ausrundung des hinterschnittenen Wandteils 6, wird auf Grund der Beziehung
ermittelt, daß die Länge der rotierenden Walze 8 bis zu der Stelle, wo die
Strömung 3 wieder an der festen Begrenzungswand 4 anliegt, dem sogenannten
Staupunkt 9, meist etwa 4- bis 7mal dem Radius der halbkreisförnügen Ausrundung
des hinterschnittenen Wandteils 6 entspricht. Die Grenzstromlinie der Strömung
3 kann dabei an dem Staupunkt 9 eine starke örtliche Krümmung aufweisen,
die bei Umströmung von festen Wänden auf keinen Fall möglich ist.
-
Von besonderer Wichtigkeit ist die Abmessung der lippenförmig verlängerten
Austrittskante 5, die eine Länge L von etwa 0,2- bis 1,0-, vorzugsweise
0,6mal dem Radius R hat.
-
Der durch die Hinterschneidung und die lippenförmige Austrittskante
aufgeteilte Raum ist mit dem Raum der Hauptströmung vor der Erweiterung durch eine
oder mehrere Entlüftungsbohrungen 10 verbunden.
-
In dem dargestellten Beispiel verlaufen die festen Begrenzungswände
2 und 4 vor bzw. hinter der stufenförmigen Erweiterung zueinander parallel. Diese
beiden Wände können jedoch auch zueinander geneigt sein, und zwar wie es durch die
beiden strichpunktiert gezeichneten Winkel ±,x angedeutet ist, innerhalb eines Bereiches
bis zu etwa ± 15', vorzugsweise jedoch etwa ± 51.
-
Anstatt der in F i g. 1 dargestellten Form der stufenförmigen
Erweiterung sind auch andere Formen möglich, wie sie beispielsweise schematisch
in den F i g. 2 bis 4 dargestellt sind.
-
In F i g. 2 ist ein im wesentlich rechteckiger Raum zur Ausbildung
der rotierenden Nebenströmung dargestellt. Die lippenförmig verlängerte Austrittskante
13 weist in diesem Fall aus Gründen der Festigkeit eine von ihrem freien
Ende bis zu ihrer Wurzel zunehmende Dicke auf. Sie hat eine Länge von etwa
1,1- bis 1,5-, vorzugsweise 1,3mal der Tiefe der stufenförmigen Erweiterung.
-
Eine in derselben Weise ausgebildete Austrittskante 13 ist
in F i g. 3 in Verbindung mit einem halbkreisförmig ausgerundeten hinterschnittenen
Wandteil 6 gezeigt, in dem die Innenbegrenzung 14 der Austrittskante
13 tangential in die Ausrundung übergeht.
-
In F i g. 4 ist der hinterschnittene Wandteil 15 aus
zwei im Winkel zueinander stehenden Flächen gebildet.
-
Die Anwendung des Diffusors nach der Erfindung bei einem Saugkrümmer
für Kaplanturbinen ist in F i g. 5 dargestellt. Darin ist die Laufradmitte
durch die strichpunktierte Linie 16 bezeichnet. In dem an die Laufradringe
17 anschließenden oberen Bereich 18 des Saugkrümmers sind in dieser
beispielsweisen Ausführung zwei stufenförmige Erweiterungen 19
und 20 vorgesehen,
auf Grund welcher der Krümmer eine erheblich kürzere Höhenentwicklung erhält, als
es ohne diese Erweiterung möglich wäre.
-
Wie aus der Figur zu erkennen, ist der Abstand zwischen den beiden
stufenförinigen Erweiterungen im Bereich der Außenwand 21 größer als der im Bereich
der Innenwand 22, da die Strömung auf Grund der Krümmung an der Außenwand länger
anliegt als an der Innenwand 22.
-
In einem Krümmer können die erfindungsgemäßen stufenförinigen Erweiterungen
nicht nur in dem in der Figur gezeigten oberen Bereich 18, sondern auch allein
oder in Verbindung mit denen im oberen Bereich des Krümmers an der Krümmung
23 selbst oder auch im unteren Bereich 24 angeordnet werden.