Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der hydraulischen Maschinen. Dabei kann es sich um eine Wasserturbine oder Pumpe oder eine Pumpturbine handeln, die mit einem Generator, Motor oder Motor-Generator kraftschlüssig verbunden ist. Die Erfindung betrifft hydraulische Maschinen mit Laufrädern vom Typ Francis.

Eine solche Maschine umfasst ein Laufrad, ein Gehäuse, das im Allgemeinen einen Leitapparat zur Regulierung der Wasserströmung durch das Laufrad aufweist, sowie ein Saugrohr, das bei Verwendung der Maschine als Turbine das aus dem Laufrad ausströmende Wasser führt.

Vorrichtungen zum Entwässern von Laufrädern sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE102011015336 eine entsprechende Vorrichtung. Dazu wird an das Saugrohr eine Druckluftleitung zum Ausblasen des Laufrades angeschlossen. Die Mündung der Druckluftleitung befindet sich im Saugrohr unterhalb des Laufrades. Die US 3 282 563 A beschreibt eine Vorrichtung, die geeignet ist Luft in den Raum unterhalb des Laufrades einzublasen. Diese Vorrichtung umfasst einen lanzenförmigen Injektor, der in den Raum unterhalb des Laufrades eingebracht werden kann und über einen innenliegenden Kanal dort Luft einblasen kann. Der Injektor kann nach dem Gebrauch komplett aus dem Wasserweg entfernt werden.

Das Entwässern von Laufrädern in hydraulischen Maschinen dient in der Regel zwei unterschiedlichen Zwecken. Im ersten Fall werden Laufräder von Pumpen oder Pumpturbinen zum Anfahren im Pumpbetrieb zunächst im Stillstand entwässert und das Laufrad in Luft auf die Synchrondrehzahl beschleunigt. Im zweiten Fall soll eine hydraulische Maschine im Phasenschieberbetrieb gefahren werden, d.h. es wird keine Wirkleistung bereitgestellt, sondern es erfolgt nur eine Kompensation von im elektrischen Netz erzeugter Blindleistung. Dazu wird das Laufrad, während es sich in Wasser dreht, mit Hilfe der Vorrichtung zum Entwässern ausgeblasen bis das Laufrad schließlich im Phasenschieberbetrieb in Luft umläuft. In beiden Fällen muss natürlich zunächst der Leitapparat vollständig geschlossen werden.

Es hat sich gezeigt, dass das Entwässern von Laufrädern im ersten Fall, d.h. während dem Stillstand des Laufrades keine weiteren Schwierigkeiten bereitet. Anders sieht es im zweiten Fall aus, d.h. wenn bei sich drehendem Laufrad entwässert werden soll. Man stellt fest, dass oftmals eine wesentlich größere Menge an Druckluft benötigt wird, verglichen mit dem Entwässern im Stillstand. In der Regel wird die zum Entwässern benötigte Druckluft mit Hilfe eines sogenannten Windkessels bereitgestellt. Dabei handelt es sich um einen Druckbehälter, der über Luftpumpen mit Druckluft gefüllt wird. Die Größe des Windkessels wird oftmals nach der Druckluftmenge ausgelegt, die zum einmaligen Entwässern des Laufrades ausreicht. In der Regel ist das die leicht zu berechnende Menge, die bei Stillstand des Laufrades benötigt wird. Die genannten Probleme beim Entwässern bei drehendem Laufrad führen dann dazu, dass aus dem Windkessel eine größere Menge Druckluft entnommen werden muss als vorgesehen, was zu einem größeren Druckabfall im Kessel führt als angenommen. Ein zweiter Ausblasvorgang ist erst nach dem zeitaufwändigen Wiederbefüllen des Windkessels möglich. Dadurch steigt wiederum die Dauerbelastung des Windkessels durch die starke Entleerung an. Natürlich können die beschriebenen Probleme durch eine vergrößerte Auslegung des Windkessels kompensiert werden, was jedoch zu einer erheblichen Steigerung der Gestehungskosten führt, insbesondere wenn man den erhöhten Platzbedarf mit berücksichtigt. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Entwässern von Laufrädern bereitzustellen, die die genannten Probleme beseitigt ohne die Gestehungskosten wesentlich zu erhöhen. Die Erfinder haben sich dabei von dem Befund leiten lassen, dass im Problemfall große Mengen der Ausblasluft ins Unterwasser gelangen und offenbar so für das Entwässern des Laufrades verloren gehen.

Die Erfinder haben erkannt, dass die gestellte Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Entwässern des Laufrades mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst werden kann. Der unabhängige Verfahrensanspruch beschreibt den erfindungsgemäßen Vorgang beim Entwässern eines Laufrades.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:

Figur 1 Strömungsverlauf im Laufrad und Saugrohr bei geschlossenem

Leitapparat; und

Figur 2 Ausblasvorrichtung gemäß dem Stand der Technik; und

Figur 3 erfindungsgemäße Vorrichtung

In der Darstellung der Figur 1 ist der Strömungsverlauf im Laufrad und Saugrohr bei geschlossenem Leitapparat in schematischer Form gezeigt. Dabei sind jeweils der Ort des Laufrades mit 1, die Wand des Saugrohrs mit 2 und die Leitschaufeln des Leitapparats mit 3 bezeichnet. Die Strömungslinien sind mit den Pfeillinien angedeutet. Die in Figur 1 dargestellt Strömung stellt sich so ein, kurz bevor mit dem Einblasen der Druckluft zum Entwässern des Laufrades begonnen wird. Insbesondere interessiert der Strömungsverlauf im Bereich des Saugrohrs, der sich direkt unterhalb des Laufrades anschließt. An dieser Stelle wird gemäß dem Stand der Technik die Druckluft von der Saugrohrwand aus eingeblasen. Es ist klar ersichtlich, dass der Strömungsverlauf direkt an der Saugrohrwand nach unten, d.h. in Richtung Unterwasser gerichtet ist. Die Erfinder haben daraus geschlossen, dass zumindest ein Teil der eingeblasenen Luft durch diese Strömung mit ins Unterwasser gerissen wird und somit nicht mehr für die Entwässerung zur Verfügung steht.

Die Erfinder sahen sich somit vor die Aufgabe gestellt, den Abtransport der eingeblasenen Luft durch die Wasserströmung, die sich direkt an der Saugrohrwand einstellt, zu verhindern.

Die Erfinder haben erkannt, dass die eingeblasene Druckluft deshalb vom Wasser mitgerissen und ins Unterwasser transportiert wird, weil die Dichte von Luft im Vergleich zu Wasser sehr gering ist. Das Problem kann demnach verkleinert werden, wenn die Druckluft zumindest in dem Bereich nahe der Saugrohrwand von einem Material umgeben wird, das eine höhere Dichte als Luft besitzt und deshalb dem strömenden Wasser mehr Widerstand entgegen setzt. Dieses Material würde somit eine Art Kanal bilden, durch den die Druckluft von der Saugrohrwand in Richtung Saugrohrmitte geführt wird. Dort liegt gemäß Figur 1 eine Strömung vor, die die Luft in Richtung Laufrad transportiert und so das Laufrad entwässert.

Die aus der US 3 282 563 A bekannte Lösung beruht auf einem metallischen Kanal, der von außerhalb in den Raum unterhalb des Laufrades eingeschoben wird (vgl. auch Figur 2). Die vorliegende Erfindung beschreitet einen alternativen Lösungsweg.

Die aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die Saugrohrwand ist mit 2 bezeichnet, das in das Saugrohr einführbare Rohr mit 21, die Druckluftleitung mit 24, eine Schubstange zum Einführen des Rohres mit 22 und ein Motor zum Bewegen der Schubstange mit 23. Das Rohr 21 wird dabei im Bereich außerhalb des Saugrohrs komplett innerhalb der Druckluftleitung 24 geführt. Es ist klar, dass Dichtungen zwischen dem Rohr 21 und der Druckluftleitung 24 vorzusehen sind. Das Rohr 21 wird nur während dem Entwässerungsvorgang in das Saugrohr eingeführt, so dass während dem normalen Betrieb keine Strömungshindernisse im Saugrohr entstehen, die den Wirkungsgrad der hydraulischen Maschine verringern würden. Das Rohr 21 wird nur so weit in das Saugrohr eingeführt, bis der Bereich überwunden ist, in dem die Wasserströmung vom Laufrad wegführt (siehe Figur 1). Weiterhin kann das Rohr 21 auch geneigt (z.B. zum Laufrad hin) in das Saugrohr eingeführt werden, d.h. es ist nicht zwingend, dass die Einschubrichtung senkrecht von der Saugrohrwand auf die Saugrohrmitte hin weißt. Bei dem Rohr kann es sich um ein Metallrohr oder ein Rohr aus jedem anderen geeigneten Material mit einer höheren Dichte als Luft handeln (z.B. auch Kunststoff)- Die alternative Lösung der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass der Kanal durch Wasser gebildet wird, das unter Druck in das Saugrohr eingeleitet wird. Diese Ausführungsform ist schematisch in Figur 3 dargestellt. Die Saugrohrwand ist mit 2 bezeichnet, die Druckluftleitung mit 32 und mit 31 ist eine Wasserleitung bezeichnet, die die Druckluftleitung im Mündungsbereich in das Saugrohr umschließt. Wenn durch die Wasserleitung 31 Wasser unter geeignetem Druck in das Saugrohr eingeleitet wird, so bildet sich im Beispiel, das in Figur 3 dargestellt ist, ein zylinderförmiger Kanal aus Wasser aus, der umso weiter in das Saugrohr hineinragt, je höher der Druck des eingeleiteten Wasser ist. In diesem Kanal kann nun die Druckluft durch den kritischen Bereich nahe der Saugrohrwand geleitet werden, ohne dass sie ins Unterwasser mitgerissen werden kann. Der Druck des eingeleiteten Wassers ist so zu wählen, dass der Kanal sich so weit ausbilden kann, wie das Wasser im Saugrohr vom Laufrad weg strömt. In vielen Fällen kann das benötigte unter Druck stehende Wasser dem Oberwasser bzw. der Druckrohrleitung entnommen werden. Entsprechende Leitungen, ein Ventil und ggf. ein Druckminderer sind vorzusehen. Bzgl. der Orientierung des Kanals gilt analog das im vorherigen Abschnitt gesagte. Zur weiteren Stabilisierung des aus Wasser gebildeten Kanals kann es zweckmäßig sein, das eingeleitete Wasser mit einem Drall zu versehen. Abschließend soll noch gesagt werden, dass das beschriebene Verfahren sowohl bei drehendem als auch stehendem Laufrad durchgeführt werden kann. Klarerweise ergeben sich nur bei drehendem Laufrad die beschriebenen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Aus Gründen der Verfahrensökonomie kann es jedoch vorteilhaft sein, nur ein Entwässerungsverfahren für alle möglichen Betriebsbedingungen vorzusehen.