Laufrad für eine Wasserturbine oder Wasserpumpe Impeller for a water turbine or water pump
Die Erfindung betrifft das Gebiet der Strömungsmaschinen zur Anwendung bei Flüssigkeiten. Sie betrifft insbesondere Kaplanturbinen.The invention relates to the field of fluid-flow machines for use with liquids. It particularly affects Kaplan turbines.
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.The impellers of such turbines have a shaft and a number of blades which are carried by the shaft. In the Kaplan turbines mentioned, the blades can be rotated about axes of rotation which are arranged perpendicular to the longitudinal axis of the shaft. An adjustment mechanism is assigned to the blades, which allows the blades to be pivoted about the relevant axis of rotation. The adjustment of the blades serves to optimize the efficiency of the turbine, across the entire working area.
Ein gravierendes Problem von hydraulischen Maschinen jeglicher Art besteht in der Kavitation. Diese reduziert den Wirkungsgrad, die Lebensdauer und den zulässigen Arbeitsbereich.A serious problem with hydraulic machines of all kinds is cavitation. This reduces the efficiency, the service life and the permissible working range.
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern.Numerous efforts have been made to improve the working area and the efficiency of hydraulic machines with directed flows.
Sämtliche bisher bekannten Maßnahmen haben nicht ausgereicht, den Wirkungsgrad im Arbeitsbereich einer hydraulischen Maschine mit gelenkter Strömung in wünschenswertem Maße zu steigern.All previously known measures have not been sufficient to increase the efficiency in the working area of a hydraulic machine with a directed flow to the desired extent.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine hydraulische Maschine anzugeben, mit welchen die Wirkungsgrade im Arbeitsbereich verbessert werden können.The invention is therefore based on the object of specifying a method and a hydraulic machine with which the efficiencies in the work area can be improved.
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.This object is solved by the features of claim 1. Accordingly, at least some of the blades are designed as a double blade, comprising a main blade and a secondary blade. The two blades are arranged essentially parallel to one another, so that a large area of each blade is opposite a large area of the other blade. However, certain deviations from parallelism are conceivable.
Der Erfinder hat folgendes erkannt:The inventor recognized the following:
Der Eintrittsbereich einer Schaufel, d.h. der Bereich der Schaufel- Eintrittskante, unterliegt normalerweise einer hohen Belastung. An derThe entrance area of a blade, i.e. the area of the blade leading edge is normally subject to a high load. At the
Eintrittskante einer Schaufel entsteht Kavitation, und es treten Wirbel auf. Eine optimale Schaufelbelastung ist nicht möglich, und der Einsatzbereich der Strömungsmaschine ist eingeschränkt.The leading edge of a scoop creates cavitation and eddies occur. Optimal blade loading is not possible, and the application area of the turbomachine is restricted.
Wird gemäß der Erfindung eine Doppelschaufel verwendet, umfassend eineAccording to the invention, a double blade comprising one is used
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.Main blade and a secondary blade, the load per individual blade is reduced - i.e. the loading of the leading edge area of the main blade and the leading edge area of the secondary blade - compared to blades according to the prior art. The load acting on the individual blade is distributed more or less evenly over the blade. The risk of cavitation is reduced, as is the risk of eddies occurring in the area of the leading edge of each individual blade.
Durch die verbesserte Schaufel belastung läßt sich das Optimum desDue to the improved blade load, the optimum of
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.Shift the map (specific flow Q over the specific speed n) into the operating range. In addition, the permissible operating range is expanded because, as mentioned, the cavitation is reduced. The annual energy gain of a plant increases. There are numerous ways of realizing the invention. The secondary vane can thus be arranged on the pressure side or on the suction side of the main vane.
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.The two partial blades - main blade and secondary blade - can be attached to each other by means of webs. The webs are expediently welded to the relevant surfaces of the blades. The webs run best in the direction of flow. However, an inclination towards the direction of flow is also conceivable. Individual blade areas can thus be additionally loaded or relieved.
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.In any case, there is a distance between the two partial blades, so that the two partial blades form an intermediate space between them, through which liquid flows. The distance will generally be almost constant over the entire area of the space. Generally it will be larger than the thickness of a partial blade.
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.Both blades, i.e. Main blade and secondary blade can be the same size. They can even be congruent in a projection. However, this is not absolutely necessary.
Auch kann die Eintrittskante der Sekundärschaufel - in Drehrichtung gesehen - vor oder hinter der Eintrittskante der Hauptschaufel liegen.The leading edge of the secondary blade, as seen in the direction of rotation, can also lie in front of or behind the leading edge of the main blade.
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.The invention can be used in any type of fluid-operated flow machine. The invention is particularly suitable for use in Kaplan turbines. However, other types of turbines are also possible, such as, for example, propeller turbines, these are turbines in which the turbine blades cannot be adjusted. In addition, the invention can be applied to Francis turbines and pump turbines and to water pumps in general.
Schließlich ist es denkbar, die beiden Teilschaufeln einer erfindungsgemäßen Doppelschaufel derart zu gestalten, daß die beidenFinally, it is conceivable to design the two partial blades of a double blade according to the invention in such a way that the two
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.Blade of a double blade can be moved relative to each other, preferably in the installed state. The displacement can take place in such a way that the distance between the two partial blades is changed, or that the displacement takes place parallel to the large areas of the partial blades, so that, for example, the positions of the leading edges are changed relative to one another.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:The invention will be explained in more detail below using the drawings as an example. The following is shown in detail:
Figur 1 zeigt eine Wasserturbine mit Verstellschaufeln im Aufriß und teilweise im Schnitt.Figure 1 shows a water turbine with adjustable blades in elevation and partially in section.
Figur 2 zeigt die beiden Schaufelblätter von Hauptschaufel und von Sekundärschaufel, in Draufsicht gesehen.Figure 2 shows the two blades of the main blade and the secondary blade, seen in plan view.
Figur 3 zeigt die beiden Schaufelblätter gemäß Figur 2 in einerFIG. 3 shows the two shovel blades according to FIG. 2 in one
Ansicht auf deren Stirnseiten, somit auf deren Außenkanten.View on their end faces, thus on their outer edges.
Bei der in Figur 1 gezeigten Maschine handelt es sich um eineThe machine shown in FIG. 1 is a
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.Kaplan turbine. A rotor with a shaft 1 and a number of blades 2 can be seen. The blades 2 are rotatably mounted on the shaft 1. The axis 1.1 of the shaft 1 runs vertically. The pivot axes of the blades 2 run perpendicular to it, thus horizontally. A flow channel 3 can also be seen, through which water reaches the area of the blades 2.
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.Each blade 2 has two blades, namely a main blade and a secondary blade. For reasons of clarity in the drawing, however, this is not shown in detail here.
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.The main blade 2.2 shown in FIG. 2 has an entry edge 2.2.1 and an exit edge 2.2.2. The secondary blade 2.3 has an entry edge 2.3.1 and an exit edge 2.3.2. The secondary blade is attached to the main blade by means of one or more webs 2.4. The blades are adjusted via the pivot pin or blade root 2.5.
Aus Figur 3 ist die Zuordnung von Hauptschaufel 2.2 undThe assignment of main blade 2.2 and
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.Secondary blade 2.3 recognizable. As can be seen, the leading edge 2.3.1 of the secondary blade 2.3 is offset from the leading edge 2.2.1 of the main blade 2.2. Seen in the direction of rotation of the impeller, the leading edge of the secondary blade 2.3 lies behind the leading edge of the main blade 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.
The mutual distance between the two blades is approximately 5 times the thickness of one of the two blades. In the present case, both partial blades - main blade and secondary blade 2.3 - are approximately the same thickness. However, this could also be different.