WASSERTURBINE

Die Erfindung betrifft eine Strömungsmaschine für inkompressible Medien, insbesondere eine Wasserturbine oder Pumpe, bestehend aus einem Laufrad, einem Leitapparat, der zahlreiche Schaufeln aufweist, der dem Laufrad vor-oder nachgeschaltet ist. Dabei umgeben die Leitschaufeln das Laufrad konzentrisch, so dass die Laufradachse die zentrale Symmetrieachse des Leitapparats darstellt. Als Beispiel wird auf US4496282 verwiesen.

Unter idealen Strömungsbedingungen ist es zweckmäßig, dass die Leitschaufelverstellung kollektiv und synchronisiert erfolgt. D.h. unter allen Betriebsbedingungen nehmen alle Leitschaufeln dieselbe Stellung (d.h. denselben Öffnungswinkel) ein. Dies kann am einfachsten durch einen drehbaren Regelring erreicht werden, durch den die Leitschaufeln mittels geeigneten Lenkern und Hebeln verstellt werden können. Der Regelring wird dabei durch einen Servomotor verdreht und die Leitschaufeln nehmen dabei, die der Verdrehung des Regelrings entsprechende Stellung ein. Eine entsprechende Anordnung ist beispielsweise in der DE1503299 dargestellt. In dieser Anordnung liegt der Regelring innerhalb oder außerhalb des Leitschaufelringes. Die Hebel verlaufen nicht parallel zueinander, da jeder Hebel mit der zugehörigen Leitschaufel dergestalt fest verbunden ist, dass in Richtung der Leitschaufelachse betrachtet der Hebel und die Längsachse des Leitschaufelprofils denselben festen Winkel umschließen. Eine alternative Lösung besteht darin, den Regelring exzentrisch zu lagern. Dabei werden die Leitschaufeln werden die Hebel der Leitschaufeln parallel zueinander angeordnet. Die Verstellung der Leitschaufeln erfolgt über eine laterale Verschiebung des Regelrings, wobei die Hebel stets parallel zueinander bleiben. Eine entsprechende Anordnung ist beispielsweise in der AT130517 dargestellt. Auch bei dieser Anordnung nehmen die Leitschaufeln unter allen Betriebsbedingungen dieselbe Stellung ein. Die gleichmäßige Verstellung der Leitschaufeln im Falle einer idealen Strömung bewirkt, dass das Laufrad auf allen Seiten gleichmäßig umströmt wird, so dass die resultierende Kraft auf das Laufrad in radialer Richtung verschwindet. Unter realen Bedingungen ist die Strömung jedoch nicht so gleichmäßig, dass eine gleichmäßige Verstellung der Leitschaufeln zu einer gleichmäßigen Umströmung des Laufrades führt. Es ergibt sich dann eine nicht verschwindende resultierende radiale Kraft auf das Laufrad. Diese radiale Kraft, kann zu erheblichen Vibrationen und Schwingungen der hydraulischen Maschine führen. Dadurch verringert sich sowohl der Wirkungsgrad als auch die Lebensdauer der hydraulischen Maschine. Der negative Einfluss der radialen Kraft, kann natürlich durch eine entsprechend massive Auslegung der Laufradwelle und der Lager minimiert werden, was jedoch in hohen Gestehungskosten resultiert. In manchen Fällen erlaubt zudem der zur Verfügung stehende Raum nicht, die genannten Teile massiv genug auszubilden.

Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung des genannten Problems besteht darin, dass jede einzelne Leitschaufel mit einem separaten nur diese Leitschaufel bewegenden Servomotor ausgestattet wird. Dadurch kann im Prinzip jede einzelne Leitschaufel in jede gewünschte Position gebracht werden, obwohl in der Vergangenheit meist auch in solchen hydraulischen Maschinen alle Leitschaufeln synchron bewegt wurden, d.h. alle Leitschaufeln haben immer denselben Öffnungswinkel. Eine entsprechende Anordnung geht z.B. aus der DE2204804 hervor. Der Nachteil dieser Lösung besteht in der hohen Anzahl der benötigten Servomotoren und den zugehörigen Steuerungen, was zu hohen Gestehungskosten führt. Außerdem resultiert auch diese Lösung in einem erhöhten Platzbedarf für die Servomotoren.

Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, die beschriebenen Nachteile deutlich zu verringern, ohne den Platzbedarf bzw. die Gestehungskosten in dem Maße zu erhöhen, der den Lösungen gemäß dem Stand der Technik entspricht. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Leitapparat für eine Strömungsmaschine mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche 1 und 8 gelöst, die beide durch die Verwirklichung einer gemeinsamen erfinderischen Idee verbunden sind. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.

Die Erfinder haben sich bei der Lösung des Problems von folgendem Gedanken leiten lassen (es wird hier nur der Turbinenbetrieb betrachtet, für den Pumpenbetrieb gilt eine analoge Argumentation mit umgekehrter Fließrichtung): Wenn eine störende resultierende radiale Kraft auf das Laufrad vorliegt, die eine bestimmte Richtung hat, dann kann diese Kraft kompensiert werden, indem der Wasserfluss auf das Laufrad aus der Richtung in die die störende Kraft weist, erhöht wird und gleichzeitig der Wasserfluss aus der Gegenrichtung erniedrigt wird. Das Ausmaß dieser Erhöhung und Erniedrigung hängt dabei von der Größe der störenden radialen Kraft ab. Der Wasserfluss auf das Laufrad aus Richtungen die mehr oder weniger senkrecht zur Richtung der störenden Kraft liegen, darf dabei nicht verändert oder nur so verändert werden, dass dadurch keine resultierende radiale Kraft erzeugt wird. Ausgehend von einem dem Stand der Technik entsprechenden Leitapparat mit Regelring (siehe z.B. die DE1503299 wobei die Hebel nicht parallel zueinander ausgenchtet sind) haben die Erfinder erkannt, dass ein die störende radiale Kraft kompensierender Wasserfluss auf das Laufrad sehr einfach dadurch erreicht werden kann, wenn der Regelhng aus seiner zum Laufrad koaxialen Position lateral heraus bewegt wird, so dass die Regelhngachse nicht mehr mit der Laufradachse zusammenfällt. Die Richtung und Größe der genannten Exzentrizität hängt dabei eindeutig von der Richtung und Größe der zu kompensierenden störenden radialen Kraft auf das Laufrad ab.

Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt: Figur 1 Turbine mit Leitapparat und Regelring; und

Figur 2 Schematische Anordnung eines Leitapparates mit zentriertem

Regelring; und

Figur 3 Schematische Anordnung eines erfindungsgemäßen

Leitapparates mit relativ zur Laufradachse verschobenem Regel ring

Figur 1 zeigt als Beispiel eine Francisturbine mit radialer Zuströmung in einem Axialschnitt. Man erkannt dabei im Einzelnen das Laufrad 1 der Turbine mit den Laufschaufeln 1.1. Dem Laufrad ist ein Leitapparat vorgeschaltet, umfassend starre, d.h. unbewegliche, Leitschaufeln 2.1 und verstellbare Leitschaufeln 2.2. Die Leitschaufeln befinden sich in einem Leitschaufelkanal 2.3. Ferner ist ein Regelring 4 vorgesehen. Der Regelring 4 dient zum Verstellen der Leitschaufeln 2.2. Im Gehäuse 5 befindet sich die Einlaufspirale 5.1. Die Laufradachse ist mit 6 bezeichnet. Erfindungsgemäß kann der Regelring senkrecht zur Laufradachse verschoben werden. Liegt die Regelringachse auf der Laufradachse, so ergibt sich für alle Leitschaufeln derselbe Öffnungswinkel. Wird der Regelring senkrecht zur Laufradachse verschoben, wobei die Regelringachse weiterhin parallel zur Laufradachse verläuft, so ergeben sich nicht mehr für alle Leitschaufeln dieselben Öffnungswinkel.

Figur 2 zeigt zur Verdeutlichung des Erfindungsprinzips einen Leitapparat in stark schematischer Weise in Draufsicht. Mit 2.2.1 bis 2.2.4 sind vier der Leitschaufeln des Leitapparates bezeichnet. Diese vier Leitschaufeln sind aus der Gesamtzahl der Leitschaufeln herausgegriffen worden, um das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. Die anderen Leitschaufeln sind nicht dargestellt. Mit 6 ist die Achse des Laufrades bezeichnet. In der gezeigten Anordnung haben alle Leitschaufeln denselben Öffnungswinkel γ, d.h. der Regelring (in der Figur nicht dargestellt) ist nicht gegenüber der Laufradachse 6 verschoben, sondern Laufradachse 6 und die Achse des Regelrings fallen zusammen. Unter realen Strömungsbedingungen kann es trotz des einheitlichen Öffnungswinkels aller Leitschaufeln zu einer asymmetrischen Anströmung des Laufrades kommen. Es ergibt sich eine störende radiale Kraft auf das Laufrad. In Figur 2 ist diese Kraft durch den mit 7 bezeichneten Pfeil angedeutet.

Figur 3 zeigt den Leitapparat aus Figur 2 jetzt jedoch mit einem erfindungsgemäß lateral gegen die Laufradachse 6 verschobenen Regelring (auch in Figur 3 nicht dargestellt). Die Verschiebungsrichtung des Regelringes ist durch den gestrichelten Pfeil 9 angedeutet. Die laterale Verschiebung des Regelringes bewirkt, dass nicht mehr alle Leitschaufeln denselben Öffnungswinkel aufweisen. Vielmehr ergibt sich der Öffnungswinkel der Leitschaufeln zu γ+Δγ,, wobei γ den mittleren Öffnungswinkel aller Leitschaufeln bezeichnet und Δγ, die jeweilige Abweichung des Öffnungswinkels der i-ten Leitschaufel vom mittleren Öffnungswinkel γ. In der Regel wird für laterale Verschiebungsstrecken des Regelringes, die deutlich kleiner als der Regelringradius sind, Δγ, proportional zu Z*sin(di+ß) sein, wobei Z die laterale Verschiebungsstrecke des Regelringes und a, die Winkellage der i-ten Leitschaufel bezeichnet. Der Parameter ß ist ein Phasenwinkel und hängt von der Verschiebungsrichtung des Regelringes ab. Es ist zu sagen, dass der jeweilige Zusammenhang von Verschiebungsstrecke Z und Verschiebungsrichtung des Regelringes und den Δγ,, d.h. die Proportionalitätskonstante und der Phasen parameter ß in der oben genannten Formel, von der jeweiligen Geometrie der Lenker und Hebel abhängt, mit denen die Leitschaufeln am Regelring gelagert sind.

Aus Figur 3 geht hervor, dass durch die Verschiebung des Regelringes in Richtung des Pfeiles 9 die Leitschaufel 2.2.2 gegenüber der Figur 2 einen verkleinerten Öffnungswinkel aufweist, während die Leitschaufel 2.2.4 gegenüber der Figur 2 einen vergrößerten Öffnungswinkel aufweist. Im Beispiel der Figur 3 haben die Leitschaufeln 2.2.1 und 2.2.3 denselben Öffnungswinkel wie in Figur 2. Durch die geänderten Öffnungswinkel ergibt sich im Vergleich mit Figur 2 eine geänderte Anströmung des Laufrades. Dadurch dass nun die Leitschaufel 2.2.4 mehr und die Leitschaufel 2.2.2 weniger Wasser auf das Laufrad fließen lässt, ergibt sich eine im Vergleich zu Figur 2 zusätzliche radiale Kraft auf das Laufrad. Diese zusätzliche Kraft ist durch den Pfeil 8 angedeutet. Wenn die Verschiebung des Regelringes so gewählt wird, dass sich die Kräfte 7 und 8 auf das Laufrad gerade oder wenigstens annähernd aufheben (wie in Figur 3 angedeutet), so wirkt auf das Laufrad keine oder nur noch eine sehr kleine radiale Kraft. Damit ist gezeigt, dass durch die erfindungsgemäße Anordnung das genannte Problem prinzipiell gelöst wird.

Die Erfinder haben weiterhin auch anhand von konkreten hydraulischen Maschinen untersucht, ob die Erfindung auch praktisch durchführbar ist. Es ergaben sich dabei beispielsweise folgende Ergebnisse: Regel ringdurchmesser 3m, mittlerer Öffnungswinkel γ=10°, Δγ, von -2,5° bis +2,5° bei einer Verschiebung des Regelringes von nur 10mm. Damit konnten die Erfinder zeigen, dass relativ kleine laterale Verschiebungen bereits zu wesentlich asymmetrischen Leitschaufelöffnungen führen, d.h. die Erfindung ist ohne weiteres ausführbar.

Im Folgenden werden die bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert, die den von Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen entsprechen. Oftmals ist es nicht oder nur mit großem Aufwand möglich die möglicherweise auftretenden resultierenden radialen Kräfte bezüglich Richtung und Größe vorherzusagen. In diesen Fällen ist es notwendig, dass der lateralen Verschiebung des Regelringes bzgl. Richtung und Verschiebungsstrecke möglichst keine Grenzen gezogen werden, sondern die Verschiebung sollte während dem Betrieb der hydraulischen Maschine möglichst frei einstellbar. Dies kann erreicht werden, wenn der Regelring über zwei unabhängig voneinander arbeitende Stellorgane verschoben wird. Die Wirkrichtungen der zwei Stellorgane müssen dabei natürlich einen nichtverschwindenden Winkel zueinander einnehmen, vorzugsweise etwa 90° (Unteransprüche 2 und 3). Wenn während dem Betrieb eine störende radiale Kraft auf das Laufrad auftritt, so kann mit Hilfe der frei einstellbaren lateralen Verschiebung des Regelringes die störende Kraft kompensiert werden. Eine geeignete Prozedur kann z.B. mit Hilfe von Vibrationssensoren gesteuert werden.

In anderen Fällen ist z.B. die Richtung der störenden radialen Kraft auf das Laufrad bekannt (da sie z.B. durch die Spiralen- und Traversengeometrie vorgegeben ist). In diesen Fällen kann auf einen Freiheitsgrad der lateralen Verschiebung des Regelringes verzichtet werden, so dass sich die Verschiebung des Regelringes entlang einer Kurve bzw. einer Linie bewegt (Unteranspruch 4). Dies kann mit einer geeigneten Führung z.B. einer Kulissenführung erreicht werden. Es wird dann nur noch ein Stellorgan für die laterale Verschiebung des Regelringes benötigt. Es ist natürlich zu berücksichtigen, dass der Regelring weiterhin drehbar gelagert bleibt. Das kann entweder durch geeignete Langlöcher in der Führung bzw. durch die Verwendung eines geeigneten Zwischenringes, auf dem der Regelring drehbar gelagert wird, (Unteranspruch 5) erreicht werden.

In anderen Fällen kann neben der Richtung der benötigten lateralen Verschiebung auch die Verschiebungsstrecke in Abhängigkeit des jeweiligen mittleren Öffnungswinkels der Leitschaufeln vorgegeben werden. D. h. dass für eine beliebige Verdrehung des Regelringes eine eindeutige Verschiebung desselben vorliegen muss. Mit einer geeigneten Führungseinrichtung kann erreicht werden, dass eine Verdrehung des Regelringes simultan zu der gewünschten lateralen Verschiebung des Regelringes führt (Unteranspruch 6). Somit ist kein separates Stellorgan für die laterale Verschiebung des Regelringes von Nöten, und in dieser sehr bevorzugten Ausführungsform ist der benötigte Aufwand zur Umsetzung der Erfindung minimal. Aus Sicherheitsgründen ist es wünschenswert die mögliche laterale Verschiebung des Regelringes zu begrenzen. Hierzu sind geeignete Führungen und Anschläge vorzusehen (Unteranspruch 7).

Abschließend bezüglich der bisher beschriebenen Ausführungsformen ist noch zu erwähnen, dass in derjenigen Verdrehstellung des Regelringes, bei der alle Leitschaufeln geschlossen sind, auch die laterale Verschiebung des Regelringes verschwinden muss. Dies ist bei der Steuerung der lateralen Verschiebung des Regelringes bzw. in der konstruktiven Ausführung der vorgesehenen Führungen zu berücksichtigen.

Anschließend wird diejenige Ausführungsform der gemeinsamen erfinderischen Idee näher erläutert, die dem zweiten unabhängigen Anspruch 8 entspricht.

Die allgemeine erfinderische Idee besteht in einer lateralen Verschiebung der Regelringachse relativ zur Laufradachse. Im Gegensatz zu den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen und Ausführungsformen bleibt bei der Ausführungsform, die Anspruch 8 entspricht, die laterale Verschiebung des Regelrings im Betrieb fix, d.h. der Regelring ist um eine fixe Achse drehbar gelagert ausgeführt, wobei diese Achse nicht mit der Laufradachse zusammen fällt. Im Betrieb kann deshalb der Regelring nicht relativ zur Laufradachse verschoben werden, sondern wird um seine fixe exzentrische Achse gedreht, um die Leitschaufeln zu bewegen. Es ist unmittelbar klar, dass der Leitapparat in dieser Anordnung nur dann vollständig geschlossen werden kann, wenn die Lenker und/oder Hebel, mit denen die Leitschaufeln am exzentrischen Regelring gelagert sind, von Leitschaufel zu Leitschaufel individuell unterschiedliche Abmessungen aufweisen. Wird nun der exzentrisch gelagerte Regelring aus dieser Position heraus gedreht, so öffnen sich die Leitschaufeln nicht gleichmäßig, da sich bei der Drehung des exzentrischen Regelringes der jeweilige Abstand der Befestigungspunkte der Lenker und Hebel am Regelring zur Achse des Laufrades ungleichmäßig verändert. Einige Befestigungspunkte wandern bei Drehung auf die Achse des Laufrades zu, einige Befestigungspunkte entfernen sich von ihr, andere bleiben etwa im selben Abstand, so dass sich eine der Figur 3 entsprechende Öffnungswinkelverteilung einstellen wird. Die beschriebene Anordnung ist dann sinnvoll und vorteilhaft, wenn die Richtung und Stärke der störenden Kraft bekannt ist. Es ist ebenfalls klar, dass bei dieser Anordnung keine zusätzlichen Stellorgane benötigt werden. Somit wird auch mit dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform die gestellte Aufgabe gelöst.