Die Erfindung betrifft eine reversible Pumpturbine mit einem Laufrad und einem Leitrad bestehend aus einer Vielzahl von Leitschaufein, die jeweils aus einem von Stirnflächen

begrenzten Leitschaufeikörper und einem Drehzapfen zum

Verdrehen des Leitschaufelkörpers um eine Drehachse bestehen. Durch das Verdrehen der Leitschaufein kann das Leitrad

geschlossen und geöffnet werden. Der Leitschaufeikörper weist eine der Turbinenströmung zugewandte Turbineneintrittskante und eine der Turbinenströmung abgewandte

Turbinenaustrittskante auf. Die einzelnen Leitschaufein berühren einander im geschlossenen Zustand des Leitrads entlang von Schließkanten, die durch die Berührungskurven benachbarter Leitschaufein definiert werden. Die Leitschaufein weisen dabei jeweils zwei beidseits der Drehachse sowie einander gegenüberliegende strömungsführende Flächen auf, die durch die zwei Stirnflächen begrenzt werden.

Die Erfindung betrifft auch eine Leitschaufel für die

reversible Pumpturbine.

Die Leitschaufein einer reversiblen Pumpturbine sind im

Turbinenbetrieb stromauf und im Pumpenbetrieb stromab des Laufrades angeordnet. Sie bestehen aus einem

Leitschaufeikörper und einem Drehzapfen. Zusammengefasst bilden die Leitschaufein das Leitrad. Die Verdrehung des Leitschaufelkörpers erfolgt direkt mittels Verdrehung des Drehzapfens um eine Drehachse. Es existiert im eingebauten Zustand somit eine spezifische Leitradstellung, in der benachbarte Leitschaufein einander entlang der Schließkanten berühren. Die Verstellung der Leitschaufein ermöglicht die Regelung einer Pumpturbine von einem bestehenden Betriebspunkt zu einem anderen Betriebspunkt, wobei anzumerken ist, dass die Betriebsführung von Pumpturbinen im Vergleich zu

konventionellen Turbinen deutlich komplexer ist und kurze Umschalt _Z eiten zwischen Pumpen- und Turbinenbetrieb verlangt.

Die Umschalt _Z eiten einer Pumpturbine vom Pumpen- in den

Turbinenbetrieb werden im Wesentlichen durch die Dauer des Synchronisationsprozesses bestimmt, im Zuge dessen die

Drehfrequenz der hydraulischen Strömungsmaschine mit jener des elektrischen Netzes synchronisiert wird. Sollte die

Leerlaufkennlinie am Synchronisationspunkt eine

Turbineninstabilität aufweisen, dann können die dadurch angeregten Drehmomentschwankungen eine erfolgreiche

Synchronisation maßgeblich verzögern. Den Schwankungsgrößen liegen phasenverschobene Druck- und Durchflusspulsationen zugrunde, deren Amplituden im Resonanzfall eine

fluidmechanische Schwingungsanregung in der hydraulischen Maschine hervorrufen können. Für die Kraftwerksbetreiber stellt dieses Szenario ein sicherheitstechnisches Risiko dar. Die Eintrittswahrscheinlichkeit eines derartigen Ereignisses lässt sich dadurch reduzieren, dass Turbineninstabilitäten um den Synchronisationspunkt verhindert werden.

Im Zuge eines Lastabwurfs (beispielsweise infolge eines

Defekts oder Netzausfalls) beschleunigt das Laufrad auf

Durchgangsdrehzahl und die Pumpturbine erfährt, in

Abhängigkeit des Ausfallsszenarios, transiente

Betriebszustände unterschiedlicher Druckniveaus. Neben der Durchgangsdrehzahl stellen insbesondere die Druckanstiege im Spiralgehäuse und die Druckabsenkungen im Saugrohr wesentliche Auslegungsparameter eines Pumpspeicherkraftwerks dar. Je stärker die Turbineninstabilität bei gegebenen Randbedingungen ausgeprägt ist, desto größer der Druckanstieg im Spiralgehäuse und die Druckabsenkung im Saugrohr. Letztere kann im Ernstfall eine sogenannte Wassersäulenseparation im Saugrohr

verursachen, bei der, aufgrund von Kavitationsbildung, große Mengen an Dampf entstehen. Da das vorhandene Volumen innerhalb der hydraulischen Strömungsmaschine annähernd konstant ist, erhöht sich der auf das Laufrad wirkende Axialschub

entsprechend. Ein derartiges Szenario führt üblicherweise zu irreparablen Schäden an der hydraulischen Strömungsmaschine und dem Krafthaus und stellt somit ein ernstzunehmendes, sicherheitstechnisches Problem im Betrieb von

Pumpspeicherkraftwerken dar.

Es müssen daher sowohl im Pumpen- als auch im Turbinenbetrieb neben hohen Wirkungsgraden und einem guten

Kavitationsverhalten insbesondere ein ruhiger und stabiler Betrieb durch ein entsprechendes Design sichergestellt werden. Spezifische Vorgaben hinsichtlich der Betriebsstabilität im Zuge von transienten Manövern sind essentielle Bestandteile eines jeden internationalen Ausschreibungsverfahrens, die von den Herstellern unbedingt erfüllt werden müssen.

Der Erfinder hat erkannt, dass strömungsbedingte

Turbineninstabilitäten in direkter Wechselwirkung mit dem Leitrad stehen und sich je nach Leitschaufeldesign

unterschiedlich beeinflussen lassen. Das Auftreten von

Turbineninstabilitäten lässt sich im Allgemeinen auf die

Existenz von umlaufenden, stabilen Wirbelstrukturen im

schaufellosen Raum, das heißt im Raum zwischen Leit- und

Laufrad, zurückführen. Diese Wirbelformationen behindern die aus dem Leitrad zugeführte Turbinenströmung, erhöhen die

Verluste in der Pumpturbine und bilden schlussendlich einen instabilen Betriebszustand, im Zuge dessen entsprechende

Druck- und Durchflusspulsationen hervorgerufen und

Systemanregungen begünstigt werden können. Um die

Turbinenstabilität von Pumpturbinen zu erhöhen, müssen die umlaufenden, stabilen Wirbelstrukturen im schaufellosen Raum durchbrochen bzw. destabilisiert werden.

Eine mögliche Methode zur Betriebsstabilisierung stellen die sogenannten asynchron-gestellten Leitschaufein dar. Dabei werden einzelne Leitschaufein mittels Einzelservomotoren unabhängig von den übrigen Leitschaufein verstellt. Diese Ansteuerungsvariante ist jedoch teuer und birgt ein erhöhtes Ausfallsrisiko für das zugrundeliegende Sicherheitskonzept. Da insbesondere im Falle eines Lastabwurfes (beispielsweise infolge eines Defekts) die Schließvorgänge weiterhin

ordnungsgemäß funktionieren müssen, werden asynchron-gestellte Leitschaufein nicht gänzlich als Sicherheitsmechanismus akzeptiert. Hier zeigt sich insbesondere in den zukünftigen Märkten ein ganz klarer Trend weg von derartigen Aktuatoren.

Bei einer konventionellen Leitschaufel sind die

Strömungsprofile typischerweise parallel und kongruent

(deckungsgleich) (siehe Fig. 1). Die Begrenzungsfläche des Leitschaufelkörpers stellt somit eine Zylinderfläche dar. Die Ein- und Austrittkanten entsprechen Geraden (siehe Fig. 2) .

Um den hydraulischen Wirkungsgrad zu erhöhen, werden auch Leitschaufein mit abweichender Form eingesetzt, sodass alle Strömungsprofile zwar kongruent jedoch nicht parallel sind, siehe z. B. die DE 199 50 227 Al. Im Wesentlichen ergibt sich die Form dieser Leitschaufein durch idente Strömungsprofile, die zueinander verschoben sind.

Die Leitschaufel aus dem Stand der Technik hat den Nachteil, dass ihr Design nicht flexibel genug ist, um die Anforderungen an Turbinenstabilität, Wirkungsgrad, Kavitationsverhalten und Regelbereich gleichsam erfüllen zu können.

Ziel der Erfindung ist es daher, die Turbinenstabilität von Pumpturbinen im Zuge von transienten Manövern, das heißt während des Synchronisationsprozesses und im Falle eines Lastabwurfs, zu erhöhen. Gleichzeitig soll ein hydraulischer Wirkungsgrad erzielt werden, der mit dem einer konventionellen Leitschaufel vergleichbar ist. Analog dazu soll durch die Erfindung weder Pumpenstabilität noch Kavitationsverhalten maßgeblich beeinflussen werden.

Die Erfindung ist daher dadurch gekennzeichnet, dass die strömungsführenden Flächen der jeweiligen Leitschaufel unterschiedliche Strömungsprofile bilden.

Der Leitschaufeikörper ist somit nicht zylindrisch und weist eine Krümmung auf, die durch die unterschiedliche Form der Strömungsprofile erzeugt wird. Aufgrund dieser speziellen Form der Leitschaufel kann die Strömung so geführt werden, dass sie gezielt in die Bereiche der auftretenden Wirbelstrukturen gelangt, diese für die Turbineninstabilität verantwortlichen Wirbelformationen destabilisiert und somit die

Betriebsstabilität wesentlich verbessert.

Dadurch, dass die Strömungsprofile unterschiedlich sind, also nicht kongruent sind, kann eine stabilisierende Wirkung in einem Bereich und eine wirkungsgraderhaltende Wirkung in einem anderen Bereich der Leitschaufel gezielt realisiert werden.

Vorzugsweise ist die Turbinenaustrittskante bzw. die

Schließkante der Leitschaufel zumindest einfach gekrümmt.

Es ist auch denkbar, dass die Turbinenaustrittskante der Leitschaufel und/oder zumindest eine Schließkante der

Leitschaufel zweifach gekrümmt ist.

Es ist sehr günstig, wenn das Strömungsprofil im Mittelbereich der Leitschaufel einen anderen absoluten Strömungswinkel 2 der Absolutgeschwindigkeit der Turbinenströmung am Leitschaufelaustritt in Turbinenrichtung in Bezug auf die zugehörige Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit der Turbinenströmung hervorruft, als ein Strömungsprofil im

Randbereich der Leitschaufei , sodass die Turbinenströmung in Turbinenrichtung den Leitschaufeikörper im Mittelbereich mit einem anderen Strömungswinkel 2 als im Randbereich verlässt.

Dabei ist es besonders günstig, wenn der erwähnte

Strömungswinkel 2 im Mittelbereich des Leitschaufelkörpers größer ist als jener im Randbereich. Der Mittelbereich der Leitschaufel ist dabei der Bereich, der ungefähr in der Mitte zwischen den beiden Stirnflächen der Leitschaufel liegt.

Dadurch, dass der Strömungswinkel 2 im Mittelbereich größer ist, wird auch der radial wirkende Impuls der Strömung zum Laufrad hin erhöht und dadurch werden die stabilen umlaufenden Wirbelformationen im schaufellosen Raum destabilisiert und in weiterer Folge ein stabilerer Betriebszustand der reversiblen Pumpturbine erreicht. Der Randbereich versteht sich dabei als jener Bereich, der sich in der Nähe der Stirnflächen des Leitschaufelkörpers befindet.

Der Erfinder hat erkannt, dass dadurch die unerwünschten

Wirbelformationen im schaufellosen Bereich destabilisiert werden können.

Ein größerer radial wirkender Impuls der Strömung im

Mittelbereich der Leitschaufel lässt sich beispielweise realisieren, wenn die Turbinenaustrittskante der Leitschaufel im Mittelbereich in eine Richtung gekrümmt ist, die senkrecht auf eine Ebene steht, die durch die Drehachse und eine

Verbindungsgerade zwischen der Turbineneintrittskante und der Turbinenaustrittskante definiert wird. Wobei die Krümmung in Richtung der Leitschaufeldruckseite (in Turbinenrichtung) erfolgt . Idealisiert entspricht der Leitschaufeiwinkel dem absoluten Strömungswinkel der Absolutgeschwindigkeit der

Turbinenströmung entlang des Leitschaufelprofils (siehe Fig. 12). Idealisiert folgt die Strömung dem Leitschaufelprofil .

Vorzugsweise weist somit das Strömungsprofil im Mittelbereich der Leitschaufel im Bereich der Turbinenaustrittskante einen unterschiedlichen, vorzugsweise einen größeren

Leitschaufeiwinkel auf als ein Strömungsprofil im Randbereich der Leitschaufei , sodass die Turbinenströmung in

Turbinenrichtung den Leitschaufeikörper im Mittelbereich mit einem anderen Strömungswinkel als im Randbereich verlässt.

Eine günstige Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch

gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungsprofil in seiner Position um eine Gerade, die vorteilhafterweise parallel zur Drehachse der Leitschaufel angeordnet ist, verdreht ist.

Infolge der Verdrehung kann der stabilisierende Effekt nochmals verstärkt werden.

Eine günstige Weiterbildung der Erfindung ist dadurch

gekennzeichnet, dass wenigstens ein Strömungsprofil in seiner radialen Position in Bezug auf eine Gerade verschoben ist. Dadurch wird die Leitschaufel deutlich flexibler in ihrem Design .

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbineneintrittskante wenigstens einfach gekrümmt ist, wobei auch alternativ oder zusätzlich die Turbinenaustrittskante wenigstens einfach gekrümmt sein kann. Mit diesen Maßnahmen werden die höchsten Wirkungsgrade realisiert und zeitgleich die für die Turbineninstabilität verantwortlichen Wirbelstrukturen destabilisiert. Die Erfindung wird anhand von einigen Ausführungsbeispielen in den beiliegenden Figuren näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung einer

konventionellen Leitschaufel nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 stellt eine Seitenansicht einer konventionellen

Leitschaufel gemäß Fig. 1 dar,

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufei ,

Fig. 4 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufei ,

Fig. 5 stellt eine perspektivische Darstellung einer dritten Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufel dar,

Fig. 6 zeigt eine perspektivische Darstellung einer vierten Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufei ,

Fig. 7 ist eine perspektivische Darstellung einer fünften Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufei ,

Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen

Leitschaufel gemäß Fig. 7,

Fig. 9 stellt eine perspektivische Darstellung (mit Blick auf die Turbinenaustrittskante) einer erfindungsgemäßen

Leitschaufel gemäß Fig. 7 dar,

Fig. 10 zeigt zwei nebeneinanderliegende Leitschaufein des Leitrads ,

Fig. 11 zeigt einen Maschinenschnitt einer reversiblen

Pumpturbine und

Fig. 12 zeigt die Geschwindigkeitsdreiecke an den

Leitschaufein .

In Fig. 1 ist eine Leitschaufel nach dem Stand der Technik dargestellt. Gleiche Teile sind in weiterer Folge mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Diese Leitschaufel weist eine Leitschaufeldrehachse 1, einen Drehzapfen 2 und einen

Leitschaufeikörper 3 auf. Der Leitschaufeikörper 3 ist durch die Strömungsprofile 4, 5 und 6 definiert, die zueinander parallel und kongruent (deckungsgleich) sind. Damit weist die Leitschaufel einen zylindrischen Leitschaufeikörper 3 auf. Die gleichen Strömungsprofile 4, 5 und 6 definieren einander gegenüberliegende strömungsführende Flächen 19, 20, die durch die zwei Stirnflächen 21, 22 begrenzt sind. Die

Turbineneintrittskante 7 und die Turbinenaustrittskante 8 entsprechen Geraden. Diese Form der Strömungsprofile 4, 5, 6 und des Leitschaufelkörpers 3 ist üblicherweise auf einen maximalen Wirkungsgrad ausgelegt. Auftretende Wirbelstrukturen (im Raum zwischen Leitrad und Laufrad der Pumpturbine) können damit nicht destabilisiert werden.

Aus der Seitenansicht der Leitschaufel in Fig. 2 ist klar ersichtlich, dass die Turbineneintrittskante 7 und die

Turbinenaustrittskante 8 Geraden entsprechen, wobei diese parallel zur Leitschaufeldrehachse 1 ausgerichtet sind. Der Leitschaufeikörper 3 wird durch ein oberes Strömungsprofil 4 und ein unteres Strömungsprofil 6, die die Stirnseiten des Leitschaufelkörpers 3 bilden, begrenzt. Das bzw. jedes

zwischen dem oberen Strömungsprofil 4 und dem unteren

Strömungsprofil 6 befindliche Strömungsprofil 5 weist dieselbe Form auf. Der Leitschaufeikörper 3 ist dabei durch die

Strömungsprofile 4, 5 und 6 definiert, die zueinander parallel und kongruent sind.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufei . Sie entspricht im Wesentlichen einer Ausführung nach Fig. 1 mit einer

Leitschaufeldrehachse 1, einem Drehzapfen 2, einem

Leitschaufeikörper 3, einer Turbineneintrittskante 7 und einer Turbinenaustrittskante 8. Der Leitschaufeikörper 3 ist ebenfalls durch die Strömungsprofile 4, 5 und 6 definiert. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist das Strömungsprofil 5 mit den Strömungsprofilen 4 und 6 nicht kongruent und ist im

Allgemeinen an einer beliebigen Stelle zwischen den

Stirnseiten angeordnet. Das Strömungsprofil 5 ist

beispielsweise strömungsstabilisierend, während die

Strömungsprofile 4 und 6 wirkungsgradmaximierend sind. Die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Strömungsprofilen 4, 5, und 6 entsprechen vorteilhafterweise B-Spline-Kurven und bilden einander gegenüberliegende strömungsführende Flächen 19, 20, die durch die zwei Stirnflächen 21, 22 begrenzt sind. Grundsätzlich können auch eines oder beide Strömungsprofile 4, 6 an den Stirnseiten 21, 22 des Leitschaufelkörpers 3

strömungsstabilisierend und nicht kongruent zueinander

ausgeführt werden.

In Fig. 4 ist eine zweite Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufel dargestellt. Hier ist das Strömungsprofil 5 mit den Strömungsprofilen 4 und 6 ebenfalls nicht kongruent. Das Strömungsprofil 5 ist zudem in Bezug auf eine Gerade 9

verdreht positioniert. Die Gerade 9 ist beispielsweise

parallel zur Leitschaufeldrehachse 1 angeordnet. Das

Strömungsprofil 5 ist beispielsweise strömungsstabilisierend, während die Strömungsprofile 4 und 6 wirkungsgradmaximierend sind. Die Verbindungslinien zwischen den einzelnen

Strömungsprofilen 4, 5, und 6 entsprechen vorteilhafterweise B-Spline-Kurven. Durch diese Verdrehung bilden die

Turbineneintrittskante 7 und Turbinenaustrittskante 8 keine Geraden, sondern gekrümmte Kurve.

Fig. 5 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Leitschaufel , wobei hier das Strömungsprofil 5 nicht mit den Strömungsprofilen 4 und 6 kongruent ist und sich an einer anderen Stelle des Leitschaufelkörpers 3 (gegenüber der

Variante von Fig. 3 entlang einer Geraden 9 axial verschoben) befindet. Die Gerade 9 ist beispielsweise parallel zur

Leitschaufeldrehachse 1 angeordnet. Das Strömungsprofil 5 ist beispielsweise strömungsstabilisierend, während die

Strömungsprofile 4 und 6 wirkungsgradmaximierend sind. Die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Strömungsprofilen 4, 5, und 6 entsprechen vorteilhafterweise B-Spline-Kurven .

Fig. 6 stellt einen Leitschaufeikörper 3 dar, der analog zu Fig. 4 aufgebaut ist. Allerdings wird hier das

strömungsstabilisierende Strömungsprofil 5 nicht um eine

Gerade verdreht, sondern in Bezug auf eine Gerade 9 radial verschoben .

Fig. 7 zeigt nun eine Variante der Erfindung, die die

Ausführungen von Fig. 4 und Fig. 6 kombiniert. Damit ist das Strömungsprofil 5 um eine Gerade 9 verdreht sowie in Bezug auf die Gerade 9 radial verschoben. Die Gerade 9 ist

beispielsweise parallel zur Leitschaufeldrehachse 1

angeordnet. Die Turbineneintrittskante 7 und die

Turbinenaustrittskante 8 sind gekrümmt. Das Strömungsprofil 5 ist beispielsweise strömungsstabilisierend, während die

Strömungsprofile 4 und 6 wirkungsgradmaximierend sind. Die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Strömungsprofilen 4, 5, und 6 entsprechen vorteilhafterweise B-Spline-Kurven.

Fig. 8 zeigt eine Seitenansicht der Variante nach Fig. 7. Hier sind die Verschiebung und/oder die Verdrehung sowie die gekrümmte Turbineneintrittskante 7 und Turbinenaustrittskante 8 gut erkennbar.

Fig. 9 stellt eine perspektivische Ansicht der Variante nach Fig. 7 dar, wobei in dieser Darstellung auf die

Turbinenaustrittskante 8 geblickt wird. Besonders gut ist hier die Verdrehung des Strömungsprofils 5 gegenüber den

Strömungsprofilen 4 und 6 zu sehen. In Fig. 10 sind zwei nebeneinander angeordnete Leitschaufein 13 des Leitrades 16 angeordnet und zwar im geschlossenen Zustand des Leitrades 16. Man erkennt dabei, dass sich die beiden Leitschaufein 13 entlang der Schließkante 10 berühren. Man erkennt hier auch, dass die Schließkante 10 nicht mit der Turbineneintrittskante 7 oder der Turbinenaustrittskante 8 zusammenfallen muss.

In Fig. 11 ist ein Maschinenschnitt einer reversiblen

Pumpturbine 18 dargestellt. Im Turbinenbetrieb trifft das Triebwasser aus dem Spiralgehäuse 11 auf die stationären Stützschaufeln 12 und danach auf die verstellbaren

Leitschaufein 13 des Leitrads 16. Danach trifft das

Triebwasser auf das Laufrad 14 und verlässt die reversible Pumpturbine 18 über das Saugrohr 15.

In Fig. 12 sind Geschwindigkeitsdreiecke an den Leitschaufein 13 dargestellt. Die Turbinenströmung 17 ist mit einem Pfeil angedeutet. Die einzelnen Variablen bezeichnen dabei folgende Größen :

RI Radius des Leitschaufeleintritts in Turbinenrichtung zur Maschinenhauptachse

CI Absolutgeschwindigkeit am Leitschaufeleintritt in

Turbinenrichtung

Clu Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit am

Leitschaufeleintritt in Turbinenrichtung

Clr Radialkomponente der Absolutgeschwindigkeit am

Leitschaufeleintritt in Turbinenrichtung

R2 Radius des Leitschaufelaustritts in Turbinenrichtung zur Maschinenhauptachse C2 Absolutgeschwindigkeit am Leitschaufelaustritt in

Turbinenrichtung

C2u Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit am

Leitschaufelaustritt in Turbinenrichtung

C2r Radialkomponente der Absolutgeschwindigkeit am

Leitschaufelaustritt in Turbinenrichtung

2 Absoluter Strömungswinkel der Absolutgeschwindigkeit am

Leitschaufelaustritt in Turbinenrichtung in Bezug auf die zugehörige Umfangskomponente der Absolutgeschwindigkeit C2u am Leitschaufelaustritt in Turbinenrichtung, d.h. der eingeschlossene Winkel zwischen C2 und C2u

Wobei der Index 1 dem Leitschaufeleintritt in Turbinenrichtung entspricht und der Index 2 dem Leitschaufelaustritt in

Turbinenrichtung. Der Index u steht für die Umfangskomponente und der Index r für die Radialkomponente.

RI und R2, und damit der Leitschaufeiein- und -austritt sind von der Leitschaufelöffnung abhängig.