Laufrad für eine Wasserturbine oder Wasserpumpe
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Strömungsmaschinen zur Anwendung bei Flüssigkeiten. Sie betrifft insbesondere Kaplanturbinen.
Die Laufräder solcher Turbinen weisen eine Welle auf sowie eine Anzahl von Schaufeln, die von der Welle getragen sind. Bei den genannten Kaplanturbinen sind die Schaufeln um Drehachsen verdrehbar, die senkrecht zur Längsachse der Welle angeordnet sind. Den Schaufeln ist ein Verstellmechanismus zugeordnet, der ein Verschwenken der Schaufeln um die betreffende Drehachse erlaubt. Das Verstellen der Schaufeln dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu optimieren, und zwar über den gesamten Arbeitsbereich hinweg.
Ein gravierendes Problem von hydraulischen Maschinen jeglicher Art besteht in der Kavitation. Diese reduziert den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und den zulässigen Arbeitsbereich.
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern.
Sämtliche bisher bekannten Maßnahmen haben nicht ausgereicht, den Wirkungsgrad im Arbeitsbereich einer hydraulischen Maschine mit gelenkter Strömung in wünschenswertem Maße zu steigern.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hydraulische Maschine anzugeben, mit welchen die Wirkungsgrade im Arbeitsbereich verbessert werden können.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Demgemäß werden wenigstens einige der Schaufeln als Doppelschaufel ausgebildet, umfassend eine Hauptschaufel und eine Sekundärschaufel. Die beiden Schaufeln sind dabei im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so daß jeweils eine Großfläche einer jeden Schaufel einer Großfläche der anderen Schaufel gegenüberliegt. Gewisse Abweichungen von der Parallelität sind jedoch denkbar.
Der Erfinder hat folgendes erkannt:
Der Eintrittsbereich einer Schaufel, d.h. der Bereich der Schaufel- Eintrittskante, unterliegt normalerweise einer hohen Belastung. An der
Eintrittskante einer Schaufel entsteht Kavitation, und es treten Wirbel auf. Eine optimale Schaufelbelastung ist nicht möglich, und der Einsatzbereich der Strömungsmaschine ist eingeschränkt.
Wird gemäß der Erfindung eine Doppelschaufel verwendet, umfassend eine
Hauptschaufel und eine Sekundärschaufel, so verringert sich die Belastung pro Einzelschaufel - d.h. die Belastung des Eintrittskantenbereiches der Hauptschaufel und des Eintrittskantenbereiches der Sekundärschaufel - gegenüber Schaufeln gemäß dem Stande der Technik. Die auf die Einzelschaufel einwirkende Belastung wird mehr oder minder gleichmäßig über das Schaufelblatt verteilt. Die Gefahr der Kavitation wird verringert, desgleichen die Gefahr des Entstehens von Wirbeln im Bereich der Eintrittskante einer jeden Einzelschaufel.
Durch die verbesserte Schaufel belastung läßt sich das Optimum des
Kennfeldes (spezifischer Durchfluß Q über der spezifischen Drehzahl n ) in den Betriebsbereich verlagern. Zusätzlich erweitert sich der zulässige Betriebsbereich, weil die Kavitation, wie erwähnt, verringert wird. Der Jahresenergiegewinn einer Anlage erhöht sich.
Zur Verwirklichung der Erfindung gibt es zahlreiche Möglichkeiten. So läßt sich die Sekundärschaufel auf der Druckseite oder auf der Saugseite der Hauptschaufel anordnen.
Die beiden Teilschaufeln - Hauptschaufel und Sekundärschaufel - lassen sich mittels Stegen aneinander befestigen. Die Stege werden zweckmäßigerweise an den betreffenden Flächen der Schaufeln angeschweißt. Die Stege verlaufen am besten in Strömungsrichtung. Eine Neigung gegen die Strömungsrichtung ist jedoch ebenfalls denkbar. Einzelne Schaufelbereiche können damit zusätzlich be- oder entlastet werden.
Zwischen den beiden Teilschaufeln herrscht in jedem Falle ein Abstand, so daß die beiden Teilschaufeln einen Zwischenraum zwischen sich bilden, der von Flüssigkeit durchströmt ist. Der Abstand wird im allgemeinen auf der gesamten Fläche des Zwischenraumes nahezu konstant sein. Im allgemeinen wird er größer als die Dicke einer Teilschaufel sein.
Beide Schaufeln, d.h. Hauptschaufel und Sekundärschaufel, können gleich groß sein. Sie können sogar in einer Projektion deckungsgleich sein. Dies ist jedoch nicht zwingend notwendig.
Auch kann die Eintrittskante der Sekundärschaufel - in Drehrichtung gesehen - vor oder hinter der Eintrittskante der Hauptschaufel liegen.
Die Erfindung läßt sich bei jeglicher Art von Flüssigkeits-betriebenen Strömungsmaschinen einsetzen. Die Erfindung eignet sich zwar vor allem zum Einsatz bei Kaplanturbinen. Es kommen jedoch auch andere Turbinenarten in Betracht, wie beispielsweise Propellerturbinen, dies sind Turbinen, bei denen sich die Turbinenschaufeln nicht verstellen lassen.
Außerdem läßt sich die Erfindung bei Francis-Turbinen und Pumpturbinen anwenden sowie bei Wasserpumpen allgemein.
Schließlich ist es denkbar, die beiden Teilschaufeln einer erfindungsgemäßen Doppelschaufel derart zu gestalten, daß die beiden
Schaufelblätter einer Doppelschaufel relativ zueinander verschoben werden können, vorzugsweise in eingebautem- Zustand. Die Verschiebung kann derart erfolgen, daß der Abstand zwischen den beiden Teilschaufeln verändert wird, oder daß die Verschiebung parallel zu den Großflächen der Teilschaufeln erfolgt, so daß beispielsweise die Lagen der Eintrittskanten relativ zueinander verändert werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.
Figur 2 zeigt die beiden Schaufelblätter von Hauptschaufel und von Sekundärschaufel, in Draufsicht gesehen.
Figur 3 zeigt die beiden Schaufelblätter gemäß Figur 2 in einer
Ansicht auf deren Stirnseiten, somit auf deren Außenkanten.
Bei der in Figur 1 gezeigten Maschine handelt es sich um eine
Kaplanturbine. Man erkennt einen Rotor mit einer Welle 1 sowie eine Anzahl von Schaufeln 2. Die Schaufeln 2 sind auf der Welle 1 drehbar gelagert. Die Achse 1.1 der Welle 1 verläuft vertikal. Die Schwenkachsen der Schaufeln 2 verlaufen senkrecht hierzu, somit horizontal.
Man erkennt ferner einen Strömungskanal 3, durch den Wasser in den Bereich der Schaufeln 2 gelangt.
Jede Schaufel 2 weist zwei Schaufelblätter auf, nämlich ein Hauptschaufelblatt und ein Sekundärschaufelblatt. Aus Gründen der zeichnerischen Klarheit ist dies jedoch hier nicht im einzelnen dargestellt.
Die in Figur 2 dargestellte Hauptschaufel 2.2 weist eine Eintrittskante 2.2.1 und eine Austrittskante 2.2.2 auf. Die Sekundärschaufel 2.3 weist eine Eintrittskante 2.3.1 und eine Austrittskante 2.3.2 auf. Die Sekundärschaufel ist mittels eines oder mehrerer Stege 2.4 an der Hauptschaufel befestigt. Die Schaufeln werden über den Schwenkzapfen beziehungsweise den Schaufelfuß 2.5 verstellt.
Aus Figur 3 ist die Zuordnung von Hauptschaufel 2.2 und
Sekundärschaufel 2.3 erkennbar. Wie man sieht, ist die Eintrittskante 2.3.1 der Sekundärschaufel 2.3 gegenüber der Eintrittskante 2.2.1 der Hauptschaufel 2.2 versetzt. In Laufrad-Drehrichtung gesehen liegt die Eintrittskante der Sekundärschaufel 2.3 hinter der Eintrittskante der Hauptschaufel 2.2.
Der gegenseitige Abstand zwischen den beiden Schaufeln beträgt etwa das 5-fache der Dicke einer der beiden Schaufeln. Im vorliegenden Falle sind beide Teilschaufeln - Hauptschaufel und Sekundärschaufel 2.3 - annähernd gleich dick. Dies könnte jedoch auch anders sein.