TURBINENLAUFRAD FüR DURCHSTRöMTURBINEN

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Turbinenlaufrad für Durchströmturbinen, insbesondere Wasserkraft- Durchströmturbinen mit einer Laufradnabe, Turbinenschaufeln sowie einer Deckplatte und einer Grundplatte.

Turbinenlaufräder für Durchströmturbinen werden gegenwärtig entweder von außen oder innen angeströmt und das Wasser wird auf der jeweils entgegengesetzten Seite abströmen gelassen, wobei insbesondere versucht wird, das Durchströmverhalten des Wassers möglichst laminar durch das Turbinenlaufrad zu gestalten, um Kavitationsverluste bzw. Leistungsverluste durch Wirbelströmungen zu vermeiden. In den gegenwärtigen, in Verwendung befindlichen Durchströmturbinen wird versucht, die Vergleichmäßigung des Durchströmverhaltens der Turbine durch Leiteinrichtungen, Anströmlippen bzw. Zulauf- und Ablaufkegel, sowie auch durch Einstellung des Zulaufspalts dahingehend zu vergleichmäßigen, daß die Turbinen möglichst gleichmäßig durchströmt werden. Alle derzeit bekannten Maßnahmen können jedoch nur die Zulauf- weite bzw. die Geometrie des Zu- bzw. Ablaufs regulieren, nicht jedoch Einfluß auf das Durchströmverhalten der Turbine nehmen, wodurch aufgrund der Rotation der in Betrieb befindlichen Turbine ein nicht steuerbares Verteilen des Wassers über den gesamten Turbinenquerschnitt nicht vermieden werden kann.

Eine derartige Durchströmturbine, bei welcher versucht wird, durch Verstellen des Querschnitts des Wasserauslasses eine möglichst gleichmäßige Durchströmung zu erzielen, ist beispielsweise der AT 405 965 B zu entnehmen, in welcher eine Wasserturbine vorgesehen ist, bei welcher der Quer-

schnitt der dem Laufrad zugekehrten Austrittsöffnung der Einlaßrichtung mit einer zylindrischen in axialer Richtung des Laufrads verstellbaren Wand veränderbar ist, wodurch eine Vergleichmäßigung, insbesondere ein möglichst lamina- rer Ausströmstrom erzielt werden soll. Bei einer derartigen Konstruktion kann jedoch das Problem, daß das Wasser im Inneren der Turbine im wesentlichen entsprechend den Fliehkräften kegelförmig verteilt wird, nicht vermieden werden, wodurch insbesondere im Bereich des einstellbaren Auslasses enorme mechanische Belastungen auf den Auslaß wirken, wodurch Verschleißerscheinungen unvermeidbar erscheinen.

Aus US-A 6,210,116 ist eine Pumpe bekannt geworden, in welcher sowohl scheibenförmig gestapelte als auch radiale Leitschaufeln verwendet werden, bei welcher die scheibenförmig gestapelten Leitelemente von den radialen Leitschaufeln räumlich getrennt sind, um ein in Umfangsriehtung verlaufendes Feld von konvergierenden Räumen auszubilden.

Die vorliegende Erfindung zielt nun darauf ab, ein Turbinenlaufrad für Durchströmturbinen, insbesondere Wasserkraft-Durchströmturbinen zur Verfügung zu stellen, bei welchen eine gleichmäßige Durchströmung des Turbinenlaufrads sichergestellt ist, und dadurch sowohl übermäßige Bean- spruchungen des Turbinenlaufrads vermieden werden, als auch eine ideale, d.h. nahezu laminare Durchströmung des Turbinenlaufrads sichergestellt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Turbi- nenlaufrad für Durchstrδmturbinen im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß das Turbinenlaufrad durch wenigstens ein sich über den, insbesondere gesamten Turbinenquerschnitt erstreckendes, scheibenförmiges Element in Kammern

unterteilt ist. Dadurch, daß das Turbinenlaufrad durch wenigstens ein sich über den Turbinenquerschnitt und insbesondere über den gesamten Turbinenquerschnitte erstreckendes, scheibenförmiges Element in Kammern unterteilt ist, gelingt es insbesondere bei Teillast der Turbine, das Wasser in der Turbine nahezu laminar und gleichmäßig durch die Kammern der Turbine strömen zu lassen, wodurch insbesondere eine kegelförmige Aufweitung des Wasserstroms im Inneren der Turbine aufgrund der Fliehkräfte mit Sicherheit vermie- den ist. Darüber hinaus gelingt es durch eine derartige Kammerung der axialen Höhe der Turbine, Kavitationen deutlich hintan zu halten, um somit die Standzeit der Turbine insgesamt deutlich zu erhöhen.

Indem, wie dies in der bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, ist das Turbinenlaufrad durch das wenigstens eine scheibenförmige Element in Kammern von 5 mm bis 15 cm, insbesondere 15 mm bis 8 cm unterteilt, wodurch es gelingt, eine feine Einstellung der Kammerhöhen an die zur Verfügung stehenden Wassermengen zu errichten, so daß eine optimale Ausnutzung der Höhe des Turbinenlaufrads gewährleistet ist. Wenn eine Mehrzahl von scheibenförmigen Elementen bzw. Kammerscheiben in dem Turbinenlaufrad vorgesehen sind, welche jeweils Kammerhöhen von 5 mm bis 15 cm, insbesondere 15 mm bis 8 cm aufweisen, kann eine extreme feine Einstellung des Turbinenlaufrads an die zur Verfügung stehenden Wassermengen, insbesondere beispielsweise durch Einstellen eines Zulauf- bzw. Ablaufspalts des Turbinenlaufrads gewährleistet werden, wodurch eine nahezu voll- ständig laminare Durchströmung des Turbinenlaufrads zur Verfügung gestellt wird, durch welche laminare Durchströmung einerseits die Wasserführung optimiert und andererseits der Verschleiß von Turbinenlaufradbauteilen deutlich

abgesenkt wird. Schließlich können bei Verwendung von derartigen erfindungsgemäßen, in Kammern unterteilten Turbinenlaufrädern insbesondere bei Aufbau von sogenannten modu- laren Turbinen mit zwei Laufrädern, die einzelnen Teil- ströme exakt auf das zweite anzuströmende Laufrad geführt werden, wodurch sich auch beim zweiten Laufrad die Wasserführung optimieren läßt .

Da für einen sinnvollen Betrieb einer Turbine eine gewisse Mindestwassermenge erforderlich ist und somit auch eine gewisse Mindesthöhe eines Zulaufspalts, können, wie dieser einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Kammern in dem Turbinenlaufrad voneinander verschiedene Höhen aufweisen. Bei einer derartigen Ausbildung können beispielsweise die Kammern des Turbinenlaufrads sich in der Höhe sukzessive verringern, wodurch eine exakte Anpassung von einem Mindestlastbereich bis zu einem maximalen Lastbereich der Turbine sichergestellt werden kann. In diesem Fall sollte die erste gebildete Kammer, welche eine Teil- last der Turbine ermöglicht, beispielsweise die größte Kammerhöhe aufweisen und der letzte Kammerring in Richtung zum Vollastbereich der Turbine die geringste Kammerhöhe, wodurch eine optimale Ausnutzung von zur Verfügung gestellten Wassermengen und gleichzeitig eine ideale Wasserführung im Inneren des Turbinenlaufrads sichergestellt werden kann.

Um insbesondere die Reibungsverluste durch die scheibenförmigen Elemente bzw. Kammerscheiben möglichst gering zu halten, ist das erfindungsgemäße Turbinenlaufrad dahingehend weitergebildet, daß das wenigstens eine scheibenförmige

Element eine Dicke von < 3 mm, insbesondere < 1 mm, aufweist. Indem das wenigstens eine scheibenförmige Element eine Dicke von ≤ 3 mm, insbesondere ≤ 1 mm, aufweist, sind

die entstehenden Reibungsverluste gegenüber beispielsweise der Lagerreibung des Turbinenlaufrads so gering, daß die Leistungsverluste, die durch das wenigstens eine scheibenförmige Element bewirkt werden, im vernachlässigbaren Be- reich liegen, so daß keinerlei Verschlechterungen des Wirkungsgrads der Turbine aufgrund dieser Reibungsverluste eintreten, sondern insgesamt nur eine Wirkungsgradverbesserung aufgrund der Vergleichmäßigung bzw. Optimierung der Wasserführung erzielt wird.

Indem, wie dies einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Turbinenlaufrads entspricht, die Turbinenschaufeln aus der Höhe der Kammern entsprechenden Schaufelsegmenten ausgebildet sind, können Turbinenlaufräder mit beliebig vielen Kam- mern und auch beliebig vielen Turbinenschaufeln, welche Kammern auch gegebenenfalls in der Höhe voneinander verschieden sein können, ausgebildet werden. Ein derartiges Turbinenlaufrad kann, wie dies einer bevorzugten Weiterbildung der vorliegenden Erfindung entspricht, so ausgebildet sein, daß die Grundplatte, Deckplatte, das wenigstens eine scheibenförmige Element und die Turbinenschaufeln, insbesondere die Schaufelelemente des Turbinenlaufrads durch parallel zur Drehachse des Turbinenlaufrads angeordnete Befestigungselemente, insbesondere Schrauben, verbunden sind, wodurch ein sogenannter metallischer Korb ausgebildet wird. Durch Ausbilden eines derartigen metallischen Korbs können insbesondere mechanische Belastungen besser abgefedert werden als bei einer offenen oder verschweißten Konstruktion. Darüber hinaus können bei einem derartig ausgebildeten Tur- binenlaufrad auch Dauerfestigkeitsbrüche weitgehend vermieden werden.

Indem, wie dies einer Weiterbildung der Erfindung entspricht, die Befestigungselement durch in den Turbinenschaufeln bzw. Schaufelelementen vorgesehene Bohrungen geführt sind, gelingt es einerseits, Störungen der laminaren Wasserströmung im Inneren des Turbinenlaufrads bzw. an dessen Außenumfang durch das Vorsehen von Befestigungselementen mit Sicherheit zu vermeiden und darüber hinaus kann im Bedarfsfall ein derartig ausgebildetes Turbinenlaufrad extrem einfach repariert werden, da jedes Schaufelelement bzw. jede Schaufel und auch jede KammerScheibe bzw. jedes scheibenförmige Element problemlos und gesondert getauscht werden kann, wodurch neben einer einfachen und billigen Wartung des Turbinenlaufrads auch die Standzeit desselben deutlich verbessert werden kann.

Indem, wie dies einer Weiterbildung des Weiterbildung des Turbinenlaufrads gemäß der vorliegenden Erfindung entspricht, die Bohrungen als der Krümmung der Turbinenschaufel bzw. des Schaufelelements angepaßte Langlochbohrung ausgebildet sind, gelingt es weiters den Anstellwinkel der

Turbinenschaufeln durch einfaches Verschieben der Turbinenschaufel bzw. der Schaufelelemente in der Langlochbohrung zu verändern, wodurch eine weitere Anpassung des Turbinenlaufrads an zur Verfügung stehende Wassermengen bzw. FaIl- höhen des Wassers am Einsatzort ermöglicht wird. Darüber hinaus kann ein derartiges Turbinenlaufrad relativ leicht an verschiedene Gegebenheiten angepaßt werden, wie beispielsweise ein derartiges Turbinenlaufrad als alleiniges Turbinenlaufrad einer Durchstrδmturbine eingesetzt werden kann und nach beispielsweise Verstellung des Anstellwinkels der Turbinenschaufeln als ein Laufrad einer Gegenlauftur- bine mit zwei Laufrädern verwendet werden, wodurch insbe-

sondere bei Wartungs- und Gestehungskosten des Turbinenlaufrads hohe Einsparungen erzielt werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In diesen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht einer Turbine mit einem Turbinenlaufrad mit darin angeordneten, scheibe- förmigen Elementen, Fig. 2 eine schematische Außenansicht eines Turbinenlaufrads mit gleichmäßig beabstandeten scheibenförmigen Elementen,

Fig. 3 eine Außenansicht eines Turbinenlaufrads mit scheibenförmigen Elementen, welche einen voneinander verschiede- nen Abstand aufweisen,

Fig. 4 eine Draufsicht auf ein Turbinenlaufrad, bei welchem die Deckplatte entfernt ist, und

Fig. 5 eine Teilschnittansicht einer weiteren Ausbildung einer Turbine mit zwei entgegengesetzt laufenden Turbinen- laufrädern.

Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Beispiels einer axial von aus dem Inneren des Turbinenlaufrads 1 beaufschlagten Turbine 2, wobei im Inneren des Turbinen- laufrads 1 schematisch eine Einstellvorrichtung 3 angedeutet ist, mit welcher ein Zulaufspalt zu dem Turbinenlaufrad 1 eingestellt werden kann. In der dargestellten Ausbildung befindet sich die Turbine 2 in dem vollständig geschlossenen Zustand, d.h. es kann kein Wasser aus dem Zu- laufröhr 4 in das Turbinenlaufrad 1 austreten. Im Inneren des Zulaufrohrs 4 ist weiters in der Einströmrichtung 5 des Wassers ein Einlaufkegel 6 dargestellt, mit welchem eine Vergleichmäßigung des zulaufenden Wassers erzielt wird. Der

Einlaufkegel 6 endet in der dargestellten Ausführungsform in einem in wesentlichen kegelförmig zulaufendem Anströmzylinder 7, mit welchem eine weitere Vergleichmäßigung des zulaufenden Wasser erzielt werden kann.

Das Turbinenlaufrad 1 in der dargestellten Ausbildung ist durch das Vorsehen von scheibenförmigen Elementen 8 in eine Mehrzahl von gleichmäßig voneinander beabstandeten Kammern 9 unterteilt. An der Oberseite des Turbinenlaufrads 1 be- findet sich bei der dargestellten Ausführungsform eine Deckplatte 10 und an der Unterseite des Turbinenlaufrads 1 eine Grundplatte 11. Durch eine derartige Ausbildung des Turbinenlaufrads 1 mit Deckplatte 10, Grundplatte 11 und Kammerscheiben bzw. scheibenförmigen Elementen 8 kann das Turbinenlaufrad an den jeweiligen öffnungsquerschnitt des Zulaufs 4 bzw. der Einstellvorrichtung 3 angepaßt werden, so daß auch im Teillastbereich der Turbine 2 eine gleichmäßige und laminare Durchströmung des Turbinenlaufrads 1 sichergestellt ist. Des weiteren wird durch einen der- artigen Aufbau eines Turbinenlaufrads 1 das Wasser in einem Strahl geführt und nicht, wie dies bei herkömmlichen Turbinen der Fall ist, aufgrund der Fliehkräfte aufgefächert, wodurch insbesondere Verschleißerscheinungen und Kavitationen des Turbinenlaufrads 1 deutlich vermindert werden können und gleichzeitig der Wirkungsgrad der Turbine 2 erhöht werden kann.

Die Materialwahl für die Ausbildung eines derartigen Turbinenlaufrads ist bei einer derartigen Konstruktion nicht kritisch, jedoch kann in herkömmlicher Weise das Turbinenlaufrad aus Edelstahl oder sonstigen, gegenüber Verschleißerscheinungen stabilen Materialien, welche im Turbinenbau eingesetzt werden, gebildet sein.

Prinzipiell ist festgehalten, daß die Darstellung zu Fig. 1 lediglich ein Beispiel ist und daß eine Anströmung des Turbinenlaufrades von außen in analoger Weise möglich und machbar ist, wobei in diesem Fall beispielsweise mit einer Ringdüse von außen angeströmt wird.

Bei der Darstellung von Fig. 2, welche eine schematische Außenansicht eines Turbinenlaufrads 1 darstellt, sind die Bezugszeichen von Fig. 1 im wesentlichen beibehalten, wobei die Darstellung gemäß Fig. 2 wiederum eine Deckplatte 10, eine Grundplatte 11 des Turbinenlaufrads 1 zeigt, sowie zwischen diesen Platten KammerScheiben bzw. scheibenförmige Elemente 8 dargestellt sind, welche voneinander gleichmäßig beabstandet sind. In den zwischen den Kammerscheiben 8 ausgebildeten Kammern 9 sind hiebei die Schaufeln 12 des Turbinenlaufrads dargestellt, wobei in der dargestellten Ausbildung die Turbinenschaufeln 12 in ihrer Position nicht veränderbar sind, insbesondere der Anstellwinkel der Turbi- nenschaufeln 12 nicht veränderbar ist, weshalb der Aufbau des metallischen Korbs gemäß Fig. 2 auf zweierlei Weise möglich ist, einerseits durch Zusammenfügen von Turbinen- schaufelelementen 12 und Kammerscheiben und Durchschrauben derselben, oder aber durch Vorsehen von gesamten durch- gehenden Turbinenschaufeln 12 und entsprechend ausgeschnittenen Kammerscheiben 8. Die Festlegung der Turbinenschaufeln 12 in dem Turbinenlaufrad 1 erfolgt in der Ausbildung gemäß Fig. 2 durch Durchstecken von Befestigungselementen 13 durch in den Turbinenschaufeln 12 und den scheibenförmigen Elementen 8 vorgesehene Bohrungen und ver- schrauben bzw. verschweißen derselben.

Im Inneren des Turbinenlaufrads 1 ist schematisch ein Anströmquerschnitt 14 dargestellt.

Bei der Darstellung von Fig. 3, welche im wesentlichen jener von Fig. 2 entspricht, ist wiederum eine perspektivische Seitenansicht eines Turbinenlaufrads 1 gezeigt, wobei in der Darstellung Fig. 3 die Abstände der einzelnen scheibenförmigen Elemente 8 voneinander unterschiedlich sind, insbesondere sind die scheibenförmigen Elemente 8 so von- einander beabstandet, daß bei Teillast zuerst der größte Querschnitt einer Kammer 9 geöffnet werden muß und sich die Kammerhöhen 9 in Richtung zum Vollastbereich der Turbine 2 verringern. Die Turbinenschaufeln 1 können auch in dieser Ausbildung entweder als Schaufelsegmente oder durchgehende Schaufeln 12 ausgebildet sein, wobei unabhängig von der jeweiligen Ausbildung der Turbinenschaufeln 12 die Festlegung derselben durch Befestigungselemente 13 erfolgt, die durch im Inneren der Turbinenschaufeln 12 bzw. Kammerscheiben vorgesehene Bohrungen geführt sind, es sind somit die Turbinenschaufeln in den Kammern integriert.

Die Darstellung gemäß Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf ein Turbinenlaufrad 1, wobei in dieser Draufsicht die Deckplatte 10 weggelassen ist und lediglich die Befestigung der Turbinenschaufeln 12 in dem Turbinenlaufrad 1 schematisch dargestellt ist. In der Darstellung gemäß Fig. 4 sind die Turbinenschaufeln 12 und die scheibenförmigen Elemente 8 zur Ausbildung eines metallischen Korbs derart dargestellt, daß die Turbinenschaufeln 12 verstellbar in ihrer Neigung angeordnet sind, wobei für diese Verstellung der Turbinenschaufeln 12 eine Langlochführung 15 vorgesehen ist. In die Langlöcher 15 wird bei dieser Ausbildung für den Zusammenbau des Turbinenlaufrads 1 bzw. für die Herstellung des me-

tallischen Korbs jeweils eine Schraube 16 durch jedes Langloch und jedes in den scheibenförmigen Elementen 8 vorgesehene Loch, welche in diesem Fall nicht als Langlöcher ausgebildet sind, geführt und diese Schraube wird an der Unterseite des Turbinenlaufrads, beispielsweise durch Beilagscheiben und Muttern festgelegt. Im Inneren des Turbinenlaufrads 1 ist wiederum schematisch mit 14 ein Zuströmquerschnitt dargestellt.

Damit nach einer Verstellung der Turbinenschaufeln 12 in dem Turbinenlaufrad 1 ein bündiger Abschluß der Turbinenschaufeln 12 mit den scheibenförmigen Elementen 8 gewährleistet ist, kann nach einer derartigen Verstellung der Turbinenschaufeln beispielsweise an seinem Außenumfang ab- geschliffen bzw. vorstehende Kanten abgenommen werden, wodurch insbesondere die Vorderende der Turbinenschaufeln 12 eine spezielle Formgebung als Schneidkanten erhalten, wodurch nicht nur eine verbesserte Betriebssicherheit der Turbine zur Verfügung gestellt werden kann, indem äste, Zweige und dgl . , welche beispielsweise durch den Rechen gelangen, durch die drehende Masse der Schneidkanten durchtrennt werden, sondern auch zusätzlich der unbedingt erforderlich bündige Abschluß der Turbinenschaufeln 12 in dem Turbinenlaufrad 1 gewährleistet ist.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 5 sind im wesentlichen die Bezugszeichen von Fig. 1 beibehalten, wobei die Darstellung gemäß Fig. 5 sich von der Darstellung gemäß Fig. 1 dahingehend unterscheidet, daß es sich bei dieser Ausbildung um eine Turbine 2 mit zwei Turbinenlaufrädern 1 und 17 handelt, wobei zusätzlich die Turbinenlaufräder 1, 18 so gelagert sind, daß sie über eine schematisch dargestellt Drehlagerung 18, welche im Inneren des Zulaufspalts 14 geführt

ist, gelagert ist. Auch bei der Darstellung gemäß Fig. 5 ist ein Zulauf des Wassers aus dem Inneren des ersten Turbinenlaufrads 1 in Richtung nach außen zu dem zweiten Turbinenlaufrad 2 vorgesehen, wobei wiederum ein Einlaufkegel 6 sowie ein verlängert dargestellter Anströmzylinder 7 für eine Vergleichmäßigung des zulaufenden Wassers, insbesondere für die Ausbildung einer laminaren Strömung sorgen. Bei der Darstellung gemäß Fig. 5 ist zusätzlich dazu wiederum eine Einstellvorrichtung 3 dargestellt, mit welcher der Zulaufspalt zu der Turbine 1 reguliert werden kann. Zur Vergleichmäßigung des aus dem Einströmspalt ausströmenden Wassers ist die Einstellvorrichtung 3 in diesem Fall mit einer Anströmlippe 19 ausgebildet. Die zwei Turbinenlaufräder 1 und 17 bei der Darstellung gemäß Fig. 5 sind hiebei wiederum mit schematisch dargestellten, scheibenförmigen Elementen bzw. Kammerscheiben 8 ausgebildet, um eine Vergleichmäßigung des Wasserstroms zu erzielen, wobei bei dieser Darstellung bzw. Ausbildung insbesondere durch das innere Turbinenlaufrad 1 ein laminarer Strom des Wasser er- zielt wird, welcher auf das zweite Turbinenlaufrad 17 geführt wird, so daß durch eine derartige Gegenlaufturbine mit axialer, zentraler Einströmung der Wirkungsgrad des Gesamtsystems deutlich verbessert werden kann.

Bei der Darstellung gemäß Fig. 5 sind weiters die Bodenplatten der beiden Turbinenlaufräder 1 und 17 mit 11 bzw. 20 dargestellt, wobei bei dieser Ausbildung die jeweiligen Bodenplatten verlängert und verstärkt ausgebildet sind, um eine sinnvolle Lagerung der Turbinenlaufräder 1, 17 im Be- reich der Drehlagerung 18 zu gewährleisten.

Zusammenfassend ist festzuhalten, das durch das Vorsehen der Kammerscheiben bzw. scheibenförmigen Elemente 8 ein

Turbinenlaufrad 1 zur Verfügung gestellt werden kann, welches nicht nur eine extrem hohe bzw. lange Standzeit gewährleistet, da die Kavitationen weitgehend vermieden sind, sondern auch eine weitgehende Laminarisierung des Wasser- Stroms erzielbar ist, wodurch der Wirkungsgrad deutlich verbessert werden kann und ein gefächertes bzw. kegelförmiges Ausströmen des Wassers mit Sicherheit vermieden ist. Bei Einsatz eines derartigen Turbinenlaufrads 1 in einer Gegenlaufturbine, bei welcher neben dem Turbinenlaufrad 1 ein zweites Turbinenlaufrad 17 zum Einsatz gelangt, gelingt es somit, das zweite Turbinenlaufrad 17 auch im Teillastbereich laminar anzuströmen, wodurch der Wirkungsgrad deutlich verbessert werden kann.