Die vorliegende Erfindung betrifft eine Peltonturbine nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches, wobei es sich um eine Weiterentwicklung der Erfindungen "Peltonturbine mit einem Wasserabfuhrsystem" gemäß

EP 2 034 176 und "Peltonturbine mit einem Zulaufsystem" gemäß

EP 2 035 689 handelt.

Peltonturbinen in horizontaler und vertikaler Ausführung in verschiedenen Düsenkombinationen sind allgemein bekannt. Das Einsatzgebiet ist unter anderem für Wasserturbinen mit entsprechender großer Fallhöhe, insbesondere bei extremen Teillastanforderungen für Sommer und Win- terbetrieb, sowie bei Pumpspeicher-Kraftwerken mit der Anforderung der schnellen Regelleistung mit guten Wirkungsgraden über den gesamten Leistungsbereich .

Beispiele derartiger Peltonturbinen sind beschrieben in der deutschen Patentschrift 883 426, der DE 10 2010 024 475 AI , der CH-PS 100 772, der DE-PS 413 533 sowie der FR-PS 601 535.

Die Peltonturbine funktioniert nach dem Prinzip der Gleichdruck-Turbine, das heißt, dass der Freistrahlt nach dem Düsenaustritt sich im atmosphä- rischen Umgebungsdruck, bzw. im gleichen Druckniveau wie er im Laufradbereich und Gehäuseraum einschließlich bis zum Ablaufkanal herrscht, befindet. Zuerst wird das Wasser von einem Stau-Becken über eine Rohrleitung zur Turbine bei einer gewissen Fallhöhe bzw. einem Zulaufdruck (p-w), zugeführt. Dabei wird die Energie in der Düse (2) in Geschwindigkeit umgesetzt und verlässt diese als so genannter Freistrahl (4). Der Freistrahl je Düse (2) trifft dann tangential auf das rotierende Laufrad (6) im Strahlkreisdurchmesser (Dl) der Doppelbecher (5) auf und wandelt die kinetische Energie des Freistrahles in mechanische Drehenergie um. Beim Auftreffen auf den Doppelbecher (5) wird der Freistrahl von der Mittelschneide des Bechers geteilt und verlässt den Becher nach Abgabe des größten Teiles der kinetischen Energie zu gleichen Teilen beidseitig des Laufrades.

Das nach dem seitlichen Austritt aus dem Doppelbecher (5) so genannte "Austrittswasser" weist noch eine verbleibende Restenergie von 2-4% auf und ist dabei stark aufgefächert. Durch die Auffächerung wird ein großer Luftanteil mitgerissen und trifft sodann großflächig entsprechend der Geschwindigkeit aus der Restenergie auf die Gehäusewände auf und wird weitgehend nach unten in den Ablaufkanal abgeleitet. Vagabundierendes und vernebeltes Spritzwasser entsteht beim Eintauchen des Freistrahles an den Stirnflächen der Becherschneiden sowie beim Verlassen des Restwassers radial nach außen, ist wenig richtungsgebunden, energiearm und füllt, vermischt mit der Rotations-Umluft, meist den Rest des Turbinengehäuses aus. Das Laufrad hat einen erheblichen Luftbedarf und damit Ventilationsverlust (ca. 1 ,0 bis 1 ,5%) und nimmt gierig Luft aus seiner Umgebung auf. Dabei kann auch vagabundierendes Spritzwasser mit eingezogen werden, wodurch sich naturgemäß die Verluste erhöhen.

Ein weiterer Luftbedarf resultiert durch die abgesetzte Form der Doppelbecher (5), die eine nicht gewollte Ventilation verursachen. Dabei wird in der Regel die Luft seitlich des Laufrades (6) angesaugt und radial nach außen zu den Doppelbechern (5) gefördert. Durch die aufgefächerte Form des Austrittswassers aus den Bechern wird diese stark mit Luft angereichert und als schaumige Mischung in den Abflusskanal abgeleitet. In der Verlängerung des Abflusskanales wird der größte Teil der Luft wieder ausgeschieden. Um die Luft wieder zu ergänzen, muss ein Luftkanal geschaf- fen werden, der zum einen mit atmosphärischem Druck (p-0) der Umgebung und dem Bereich des Laufrades mit Gehäuse verbunden ist.

Bei horizontaler Wellenanordnung ist eine gezielte Abfuhr des Austrittswassers mit nur 1-2 Düsenanordnung gut möglich, bei mehrdüsiger An- Ordnung wird dies sichtlich erschwert, da vermehrt das Austrittswasser von den Gehäusewänden auf das Laufrad zurückfällt und dadurch zu merklichen Leistungseinbußen führt. Es sind diverse Einbauten als Führungsmittel bekannt, die zur Ablenkung des Austrittswassers dienen. Diese sind nur bedingt wirksam, insbesondere bei größeren Fallhöhendif- ferenzen bzw. Zulaufdrücken (p-w).

Als Antwort auf diese Probleme wurde eine Lösung gefunden, die es mittels spezieller Gestaltung des Gehäuses und einem geschlossenen, umlaufend ausgebildeten, dachförmigen Verteilring (3) erlaubt, eine horizontale Peltonturbine bis zu sechsdüsiger Anordnung mit einer gezielten Wasserabfuhr zu betreiben. Dabei wird das Rückfällen bzw. Rückspritzen des Austrittswassers auf das Laufrad verhindert. Dies betrifft die internationale Patentanmeldung "Peltonturbine mit einem Wasserabfuhrsystem", basierend auf der deutschen Gebrauchsmusteranmeldung

DE 20 2004 019 537.

Der Abstand von Mitte Laufrad bis zum Wasserspiegel des Ablaufkanals wird als Freihang (F) bezeichnet und als Fallhöhenverlust hingenommen, da dieser Bereich sich im atmosphärischen Druckausgleich befindet und damit keine Energierückgewinnung möglich ist. Ebenso als nachteilig hat sich bei ausführlichen Tests mit sechsdüsiger horizontaler Anordnung gezeigt, dass unter gewissen Umständen, insbesondere wenn durch die vorgeschalteten Düsenkrümmer der Freistrahl (4) durch Sekundärwirbel im Querschnitt Verformungen von einem idealen Strahl aufweist, und durch vagabundierendes Spritzwasser verbunden mit der Ventilations- Umluft, sich die Entleerung der Becher im Zusammenhang mit dem Gehäuse nachteilig auswirkt. Ein Leistungsabfall bei Volllast bei mehrdüsi- gem Betrieb kann die Folge sein. Genau hier setzt die Erfindung ein, indem das Austrittswasser so geleitet und fokussiert wird, dass die Geschwindigkeit der Restenergie sowie die Fallhöhendifferenz des Freihanges (F) herangezogen wird, um einem gewissen Unterdruck (p- 1) im Bereich des oberen Gehäuses (1) der Doppelbecher und dem Ablaufkanal mit dem atmosphärischen Druckbereich (p- 0) herzustellen. Durch geeignete Formgebund der Gehäusewände (la, la', lb, lb') mit anschließendem speziellen Saugstutzen (19) wird verhindert, dass Luft von dem Abflusskanal (30) mit der freien Oberfläche (31), in dem atmosphärischer Druck herrscht, sich mit dem Bereich vom Laufrad (5, 6) direkt austauschen kann. Eine geschlossene Formgebung vom Gehäuse bis zu den Saugstutzen ist hierfür die Bedingung.

Als logische Folge des bereits bestehenden Patentes "Peltonturbine mit einem Wasserabfuhrsystem" ergibt sich daraus bereits eine gute Führung des Austrittswassers aus den Bechern, die in der Folge in diese speziellen Saugstutzen (19) geleitet wird.

Die Belüftung der Doppelbecher (5) des Laufrades erfolgt jetzt weitgehend nach dem Austritt aus der Düse (2, 2a) und entlang des Freistrahles (4) durch den Verteilring (3) mit dem Durchbruch (3a) , der die Luft durch Oberflächenreibung mitreißt und damit auch gezielt den Doppelbecher belüftet. Die Belüftung zu dem Bereich des Freistrahles kann über separate Bohrungen oder über einen Belüftungsraum (10) innerhalb des umlaufenden äußeren dachförmigen Führungsmittels erfolgen. Zusätzlich wird die Luftzufuhr aus dem Laufrad-Seitenraum (1 1 und 12) unterbunden. Der benötigte Luftanteil ist jetzt nur noch ein Bruchteil dessen, als wenn das Laufrad offen im Gehäuse läuft und damit wird der Luftanteil im Austrittswasser stark reduziert. Konventionelle Turbinen benötigen einen Luftanteil von 35-70% des Wassers. Versuche haben ge- zeigt, dass mit Hilfe des geschilderten Vorgehens das milchig scheinende Abwasser in den Schächten, nach dem Unterbinden der konventionellen Laufradbelüftung, als fast klares Wasser erscheint.

Die eigentliche Formgebung der geschlossenen Saugstutzen (19) ist ent- sprechend dem Querschnitt (A- l) so ausgeführt, dass bei maximalem

Wasserstrom das Austrittswasser ohne Rückstau und ohne große Umlen- kung gut abgeführt werden kann. Vorzugsweise sind die Saugstutzen formschlüssig an der äußeren Gehäusewand (la\ lb') des Gehäuses angefügt. Dabei wird ein Teil der Energie des Austrittswassers benützt, um Luft mitzureißen. Es entsteht dadurch im Turbinengehäuse ein gewisser Unterdruck, der zu einem hilft, den Becher besser zu entleeren und das Wasser entgegen dem Ventilationsluftstrom besser vom Laufrad weg fließen zu lassen und zum anderen einen Energieanteil entsprechend dem Sauggefälle auszunützen. Dabei kann es vor allem im Teillastbereich von Vorteil sein, dass die unteren Enden des Saugstutzens (19) tiefer als die Abflusskanal-Pegel (319 zu liegen kommen, um einen Lufteinzug zu verhindern.

Wesentlich für die Erfindung sind die Flächenverhältnisse innerhalb des Gehäuses, das bei dem Querschnitt (A-0) im Bereich der Achse (7) am größten ist, sich bis zu den Saugstutzen (A- l) verjüngt, wobei das Austrittswasser fokussiert und gleichzeitig beschleunigt wird, um so dann in den Saugstutzen (19) eingeleitet zu werden. Die wesentliche Beschleunigung des gesamten Austrittswassers in den Saugstutzen wird entspre- chend dem physikalischen Gesetz von "Torricelli; Abflussgeschwindigkeit aus Gefäßen" bestimmt. Dabei muss der gesamte Weg vom Laufrad bis zum Ende des Ablaufstutzens, nach außen hin zum atmosphärischen Druckbereich, dicht ausgeführt sein. Die Formgebung der Saugstutzen kann rund oder vieleckig sein. Von

Wichtigkeit ist die Fläche am Eintritt (A- l) und am Austritt (A-2). Die Größe und Anzahl der Saugstutzen ist so zu bemessen, dass bei voller Leistung durch die Gesamtsumme der Flächen ein guter Ablauf ohne Rückstau gewährleistet wird. Bei genügender Länge der Ablaufstutzen (19) kann auch eine Flächenerweiterung (ld') von A-2 bezüglich A- l von Vorteil sein. Um auch bei Teillast denselben Effekt des Unterdruckes zu erreichen, kann es sinnvoll sein, eine Zwischenwand (le) einzusetzen.

Das gleiche Prinzip zur Erzeugung eines Unterdruckes im Laufradbereich kann auch bei vertikaler Turbinenwellenausführung angewendet werden.

Bekannterweise wird bei der vertikalen Anordnung das Austrittswasser aus der oberen Becherhälfte (5) knapp über dem Laufrad (6) radial-axial abgeführt. Dabei ist bei der Formgebung der Doppelbecher (5) im Zusam- menhang mit dem Auftreffen des Freistrahles (3) darauf zu achten, dass durch die Relativbewegung zwischen den rotierenden Laufradbechern (5) und dem Austrittswasser die Becherrücken des folgenden Bechers nicht vom Austrittswasser beeinflusst werden. Ein Leistungsabfall, insbesondere bei sechsdüsigem Volllastbetrieb kann die Folge sein. Das Prinzip des Verteilringes entsprechend der Gebrauchsmusteranmeldung DE 20 2004 019 537 ist hier besonders wirksam, vagabundierendes Spritzwasser vom Laufrad fernzuhalten.

Das Austrittswasser aus der unteren Becherhälfte (5) kann dagegen unge- hinderter als das obere Austrittswasser den Becher verlassen, wobei die Schwerkraft des Wassers dem freien Austritt ohne Umlenkung entgegenkommt und somit eine entsprechende Restenergie beinhaltet.

Im Bereich des Ring-Querschnittes (A- l) treffen dann beide Teilwasser- ströme aus der oberen und unteren Becherhälfte zusammen. Der obere Teilwasserstrom hat durch die zweimalige Umlenkung schon viel der Restenergie verloren, bevor diese zusammen in den Saugstutzen eingeleitet werden. Der Saugstutzen weist hierbei zweckmäßigerweise eine vieleckige bzw. ringförmige Querschnittsfläche (19a) auf.

Besonders für eine Nachrüstung für konventionelle mehrdüsige vertikale Peltonturbinen kann die Anordnung entsprechend Fig. 3 verwendet werden. Für eine Neukonstruktion bietet sich eine Anordnung entsprechend Fig. 4 an, die das Austrittswasser der unteren Becherhälfte ohne Umlenkung und damit mit viel Restenergie direkt in den Saugstutenring einleitet. Der Effekt zur Ausnutzung dieser Rest-Energie wird dabei besser genutzt. Im Folgenden wird die Funktion der Erfindung anhand einer Prinzipskizze näher dargestellt und dabei die Funktion beschrieben. Es zeigen:

Die erfinderische Peltonturbine mit horizontaler Ausführung mit Saugstutzen:

Fig. 1 Peltonturbine horizontal bis zu sechs Düsen, als Schnitt längs der Turbinenachse (7).

In der Darstellung ist das Prinzip der sechsdüsigen horizonta- len Turbine entsprechend dem erteilten Patent Nr.

EP 2 034 176 dargestellt, wobei das Gehäuse nach unten ab dem Querschnitt A- 1 strömungsgünstig in so genannte Saugstutzen (19) formschlüssig übergeht. Diese Saugstutzen leiten das so geführte Austrittswasser in den Unterwasserkanal (30) ein. Vorteilhaft kann es sein, dass das Ende dieser Saugstutzen (A-2) in das Wasser des Abflusskanals eintaucht.

Ebenfalls ist ersichtlich, wie die Belüftung des Freistrahles zu dem Laufrad erfolgen kann. Luft aus der Umgebung mit atmo- sphärischem Druck (p-o) wird in den Aussparungen (air) angesaugt und über den Hohlraum (10) des Verteilringes (3) an den Düsenaustritt geführt und durch den Durchbruch (3a) mit dem Freistrahl auf den Doppelbecher (5) des Laufrades (6) aufgebracht. Durch die geschlossene Formgebung im Bereich des Verteilringes (3) bis zum Ende der Saugstutzen entsteht durch Restenergie und Höhendifferenz ein gewisser Unterdruck (p- 1) im Bereich des Laufrades und dem oberen Teil des Gehäuses. Die radiale Luftzufuhr ist gegenüber dem Stand der Technik durch zwei Abschlüsse (1 1 , 12) gesperrt.

Fig. 2 Entsprechend zu Fig. 1 die Ansicht quer zur Turbinenachse

(7).

In der Darstellung ist eine Möglichkeit aufgezeigt, wie ein Übergang des speziellen Turbinengehäuses zu den Saugstutzen aussehen kann.

Es zeigen:

Die erfinderische Peltonturbine in vertikaler Ausführung mit Saugstutzen:

Fig. 3 Peltonturbine entsprechend dem Stand der Technik mit bis zu sechs Düsen, als Schnitt längs der Turbinenachse.

In der Darstellung ist ein Beispiel einer Nachrüstung durch Einbau eines Verteilringes (3) aufgezeigt.

Spezielle Gehäuseinnenwände (ld, ld') sind als Ringräume ausgebildet. Die Querschnitte der Ringräume werden entsprechend dem maximalen Wasserstrom der Turbine ausgelegt. Vorteilhaft tauchen die Ringräume im Querschnitt A-2 in den Unterwasserkanal an der Oberfläche (31) ein.

Fig. 4 Entsprechend zu Fig. 3 zeigt die Darstellung eine Möglichkeit, wie ein Übergang des speziellen Turbinengehäuses zu den Saugstutzen aussehen kann, wenn die Formgebung entsprechend dem Hauptstrom des Austrittswassers optimiert wird. Bezugszeichenliste

1 Gehäuse

la Gehäusewand

la' Gehäusewand

lb Gehäusewand

lb' Gehäusewand

lc Gehäusewand

ld Gehäusewand

ld' Gehäusewand

le Gehäusewand

2 Düse

2a weitere Düsen

3 Verteilring

3a Durchbruch

4 Freistrahl

4' Achse, Düse und Freistrahl

5 Becher, Doppelbecher

6 Laufrad

6' Laufradwelle

7 Drehachse

8 Symmetrieachse zur Drehachse, Laufradebene

8' Symmetrieachse quer zur Drehachse

10 Hohlraum

1 1 Luftabschluss

12 Luftabschluss

14 Innerer Führungsring

19 Saugstutzen

19 Saugstutzen ringförmig

30 Unterwasserkanal 31 Unterwasserkanal-Oberfläche, minimaler Pegel 31a Unterwasserkanal-Oberfläche, maximaler Pegel

32 Unterwasserkanal-Wände p-0 Atmosphärischer Druck

p- 1 Unterdruck- Gebiet

p-w Druckwasser Zulauf

air Durchbruch für Lufteinzug

A-0 Bezugsfläche

A- 1 Bezugsfläche

A-2 Bezugsfläche

B Bericht Austrittswasser Fokussierung

C Bereich Saugstutzen

F Freihang

D 1 Strahlkreisdurchmesser des Laufrades