Die genannten Maschinen sind seit langem bekannt. Sie wurden jedoch bis in die Neuzeit weiterentwickelt. Dabei befassen sich die Entwicklungen vor allem mit der Steigerung des Wirkungsgrades und der Senkung der Herstellungs-und Betriebs- kosten.

Wichtige Themen sind das allgemeine Betriebsverhalten, die Verschleißfestigkeit und die Laufruhe.

Dabei ist es wünschenswert, die Betriebsparameter wie die Wasserdurchflußmen- ge oder die äußeren Druckbedingungen im Zu-und Ablauf in einem weiten Be- reich variieren zu können. Auch im extremen Teillast-oder im Überlastbetrieb soll hoher Wirkungsgrad und ein möglichst schwingungsfreier Lauf erreicht werden.

Bei Betriebsbedingungen, die weit vom Bestpunkt abweichen, können in hydrauli- schen Strömungsmaschinen instationäre Strömungsverhältnisse auftreten, die zu starken Vibrationen führen. Insbesondere bei der Anregung von Eigenfrequenzen von Bauteilen kann, es als Folge der Maschinenschwingungen, neben den Ener- gieverlusten auch zu mechanischen Schäden kommen. Außerdem macht sich bei entsprechender Maschinengröße eine Verminderung der Laufruhe negativ auf die Energieversorgung bemerkbar, mit der eine hydraulische Strömungsmaschine betrieben wir.

Zur Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen werden in hydraulischen Strömungsmaschinen regelbare Strukturen wie bewegliche Leitbleche oder ver- stellbare Laufradschaufeln eingesetzt. Des weiteren werden passive und aktive Methoden angewandt, um die Strömung außerhalb der optimalen Betriebspunkte in hydraulischen Strömungsmaschinen zu stabilisieren, wie beispielsweise starre oder flexible Leitbleche oder das Einpressen von Druckluft oder Druckwasser in den Hauptwasserstrom. Nachteilig an den bekannten Methoden sind jedoch der hohe konstruktive und fertigungstechnische Aufwand sowie ihre Beschränkung auf bestimmte Betriebszustände.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Betriebsverhalten einer hydrauli- schen Strömungsmaschine zu verbessern. Dies betrifft insbesondere die Steige- rung des Wirkungsgrades und die Minimierung von Druckschwankungen und von Kavitation.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, die sich vor bzw. hinter einer An-bzw. Abströmkante bildende Rezirkulationszone durch eine Unre- gelmäßigkeit der Formgebung der An-und/oder Abströmkante so zu beeinflussen, daß die Wirbelablösung, und als Folge davon z. B. die Bildung einer Kärmänschen Wirbelstraße, wesentlich verzögert wird.

Nach dem heutigen Stand der Technik werden möglichst rund ausgeformte An- strömkanten und spitz auslaufende Abströmkanten verwendet. Die Rundheit der Anströmkante erlaubt in einem gewissen Bereich variierende Anströmungswinkel.

Die heute verwendeten spitz auslaufende Abströmkanten begrenzen die Größe der Zirkulationszone und verkleinern damit den Bereich der Entstehung von kohä- renten Wirbelstrukturen. Somit wird die Bildung einer Kärmänschen Wirbeistraße bis zu einem kritischen Punkt in der Strömungsgeschwindigkeit verhindert. Insbe- sondere unter Teillastbedingungen können jedoch Strömungsverhältnisse auftre- ten, bei denen sich solche Wirbelstraßen bilden.

Die Erfinder haben erkannt, daß Unregelmäßigkeiten der Gestalt der An-und/oder Abströmkante die Nachlaufströmung hinter umströmten Komponenten in Hydrauli- sche Strömungsmaschinen stabilisiert, in dem durch die strukturell vorgeprägte räumliche Variation der Abströmkante keine kohärenten Strömungsstrukturen wie Wirbelzöpfe entstehen können. Unregelmäßigkeiten in der Formgebung der An- stromkante beeinflussen die Grenzschicht entlang des gesamten Verlaufs bis zur zur Abströmkante und dämpfen ebenfalls die Entstehung großräumiger Wirbel- strukturen. Für die Ausgestaltung der Unregelmäßigkeiten in der Formgebung der An-und/oder Abströmkante kommen insbesondere wellenförmige Veränderungen in Betracht.

Ferner wird durch die wellenförmig variierte und damit uneinheitliche An-und/oder Abströmkante das Zusammenführen von ober-und unterseitiger Strömung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten positiv beeinflußt, da der Grenzbereich zwi- schen diesen zwei Strömungsbereichen im Nachlauf durch eine an der variierten Kante vorgegebene Störung stabilisiert wird.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Nachteile des Standes der Technik überwunden. So werden umströmte Strukturen durch das Wirbelablösen mit Frequenzen nahe ihren Eigenfrequenzen zum Schwingen angeregt, was noch eine weitere destabilisierende Wirkung auf die Strömung hat. Dies gelingt erfin- dungsgemäß dadurch, daß die wellenförmige Strukturierung im Nahbereich der An-und/oder Abströmkante in einer vorteilhafter Ausführung wellenförmige Di- ckenvariationen einschließt, was zu einer lokal veränderlichen Eigenfrequenz führt. Damit kann ein so strukturiertes Element nicht als ganzes von einem be- stimmten Strömungszustand zu Eigenschwingungen angeregt werden.

Die wellenförmigen Variationen in Kantennähe sind zwar klein im Hinblick auf die Abmessungen der An-und/oder Abströmkante. Sie sind jedoch größer als die be- arbeitungsbedingte Rauheit und Welligkeit und werden als Sollvorgabe den Strö- mungs-und Dimensionsbedingungen angepaßt.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung werden die Dickenvari- ationen in Kantennähe so zur An-und/oder Abströmkante verlängert, daß sie zu einer wellenförmigen Längenvariation an der Kante führen. Diese Form ist beson- ders vorteilhaft in der Produktion, da diese Variationen durch Fräsen in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt auf die An-und/oder Abströmkante aufge- bracht werden können.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt. Es zeigen : Figur 1 Flügel einer Kaplan-Turbine mit unregelmäßiger Abströmkante Figur 2 Laufradschaufel einer Francis-Turbine mit unregelmäßiger Abströmkante Figur 3 Laufradschaufel einer Francis-Turbine mit unregelmäßiger An- und Abströmkante Figur 4 Laufradschaufel einer Francis-Turbine mit unregelmäßiger Abströmkante Figur 5, a, b, c geometrisch unregelmäßige Kantenbereiche eines strö- mungsbeeinflußenden Bauteiles Figur 6, a, b, c weitere geometrische Unregelmäßigkeiten im Kantenbereich strömungsbeeinflußender Bauteile Figur 7 eine geometrische Unregelmäßigkeit in Gestalt einer Block- funktion Figur 8 eine geometrische Unregelmäßigkeit in Gestalt einer Säge- zahnstruktur Fig. 9-11 Draufsichten auf Kanten von strömungsbeeinflußenden Bau- teilen, in Abwicklung Fig. 12-14 Draufsichten auf Kanten von Laufschaufeln von Francis- Turbinen ; Figur 15 eine Düse mit Nadel an einer Peltonturbine im Längsschnitt Figur 16 den Gegenstand von Figur 15 in einer perspektivischen Dar- stellung Figur 17 den Gegenstand von Figur 15 in einer Ansicht von vorn Figur 18 den Gegenstand von Figur 15 einer Schnittansicht gemäß der Schnittlinie A-A Figur 19 ein Saugrohr einer Francis-Turbine in einem Längsschnitt Figur 20 den oberen Teil des Gegenstandes von Figur 19 in perspekti- vischer Darstellung Figur 21 den Gegenstand von Figur 19 in Draufsicht Figur 22 Segmente eines Peltonlaufrades.

Die Ausdrucksweise"strömungsbeeinflußende Bauteile"bezeichnet die folgenden Bauteile : Laufschaufeln, z. B. von Francis-Turbinen Flügel von Kaplanturbinen Leitschaufeln Vorleitschaufeln (sogenannte Traversen) Saugrohre Spiralgehäuse Ringrohrleitungen (bei Peltonturbinen).

In Figur 1 ist als Beispiel eines umströmten Elementes in einer hydraulischen Strömungsmaschine der Flügel einer Kaplan-Turbine in Draufsicht gezeigt. In stark vereinfachter Weise werden die Umrißlinien dieser Freiflächenform darge- stellt. Rechts befindet sich der Eintrittsbereich der Strömung und damit die An- strömkante, links der Austritt der Strömung und die Abströmkante. Schematisch vereinfacht ist die Unregelmäßigkeit in der Ausformung der Abströmkante gezeigt.

Die gestrichelte Linie markiert den mittleren Verlauf dieser Abströmkante. Die Ausgestaltung der Abströmkante in diesem Ausführungsbeispiel variiert wellen- förmig um diesen Verlauf.

Die in Figur 2 dargestellte Schaufel ist die Schaufel durch eine Francis-Turbine in einem Meridianschnitt. Die Austrittskante auf der Druckseite weist mehrere Unste- tigkeiten auf. Diese Unstetigkeiten erstrecken sich über den gesamten Verlauf der Abströmkante der Schaufel.

Die in Figur 3 gezeigte Laufschaufel einer Francis-Turbine weist ebenfalls Unre- gelmäßigkeiten auf, und zwar entlang der Anströmkante und der Abströmkante.

Die Unregelmäßigkeiten sind nur lokal vorgesehen. Die Variationen können sich bezüglich ihrer Periodizität verändern, was beispielhaft entlang der Abströmkante skizziert ist.

Veränderungen in den Amplituden sind in den vereinfachten schematischen Abbil- dungen nicht dargestellt. Diese sind jedoch in einer besonders vorteilhaften Aus- führungsform der Erfindung möglich, welche auch eine Variation in der Dicke der An-und Abströmkanten umfaßt.

Die Anströmkante beschreibt eine langgestreckte Sinuslinie mit zwei Wendepunk- ten.

Bei der Schaufel einer Francis-Turbine gemäß Figur 4 weist die Austrittskante ei- nen Verlauf auf, bei welcher im Bereich des Bodens der Turbine fünf Wendepunk- te vorgesehen sind, und im Bereich des Kranzes der Turbine sechs Wendepunkte.

Die Figuren 5a, 5b und 5c veranschaulichen die geometrische Unregelmäßigkeit am Kantenbereich eines ströumungsbeeinflußenden Bauteiles jeglicher Art. Hier- bei kann es sich beispielsweise um den Kantenverlauf bei einer Francis-Turbine handeln-siehe die in Figur 2 gezeigte Meridianansicht. Es kann sich auch um Variationen des Dickenverlaufes handeln, oder des Längenverlaufes.

Im vorliegenden Falle ist die Unregelmäßigkeit eine ungedämpfte harmonische Schwingung. Wie man sieht, können die Unregelmäßigkeiten die Gestalt einer Sinuskurve aufweisen. Es sind aber auch gedämpfte Frequenzen möglich. Bei der Ausführung gemäß Figur 5c sind die Kuppen der Amplituden abgeschnitten.

Auch die Figuren 6a, 6b und 6c zeigen zahlreiche Varianten. Man beachte die Wendepunkte in Figur 6a und in Figur 6b. Man beachte ferner die Tangente- nunstetigkeiten in Figur 6b.

Bei Figur 6c liegt eine Frequenzvariation vor.

Die in Figur 7 gezeigte Unregelmäßigkeit ist trapezförmig.

Figur 8 veranschaulicht geometrische Unregelmäßigkeiten in Gestalt eines Säge- zahnprofiles.

Aus den Figuren 9,10 und 11 ist der Verlauf der Dicke einer Schaufelkante darge- stellt. Dabei kann es sich um die Eintritts-oder Austrittskante eines hydraulischen Profiles handeln, d. h. eines strömungsbeeinflußenden Bauteiles wie etwa der Laufschaufel eines Francis-Laufrades.

Wie man sieht, ist bei Figur 9 die Dicke einseitig entlang einer Sinuskurve verrin- gert. Der Materialabtrag gegenüber den Stand der Technik ist schraffiert darge- stellt. Am Ende der Schaufelkante verläuft er, wie man sieht, sinusförmig. Ende der Kante ausgesehen verläuft er stetig. D. h., daß die Strömungsflächen keine Unstetigkeiten wie Sprungstellen oder Knicke haben.

Figur 10 veranschaulicht eine Unregelmäßigkeit, bei welcher auf beiden Seiten der Strömungsflächen Material abgetragen ist, im vorliegenden Falle symmetrisch.

Bei Figur 11 ist ebenfalls auf beiden Seiten Material abgetragen, jedoch asymmet- risch. Die Kante im Endbereich hat somit den Verlauf eines sinusförmigen Bandes von konstanter Dicke.

Die Figuren 12 bis 14 veranschaulichen Variationen von möglichen geometrischen Unregelmäßigkeiten.

Bei den Figuren 15 bis 18 kommt es auf die Gestaltung der Düsenöffnung einer Peltonturbine an. Diese ist beim Stand der Technik heute rotationssymmetrisch.

Gemäß der Erfindung weicht sie von der rotationssymmetrischen Form ab. Im vor- liegenden Fall ist sie annähernd sechseckig. Ovale, zwei-, drei-, vier-, fünf-oder mehreckige Formen sind ebenfalls möglich und können sinnvoll sein.

Die Figuren 19 bis 21 beziegen sich auf ein Saugrohr und somit auf ein stationä- res Bauteil, das aber die Strömung stark beeinflußt.

Man erkennt auch hier wiederum im Einlaufbereich eine nicht-rotationssym- metrische Formgebung, nämlich ein Sechseck. Außerdem erkennt man eben, daß die Abströmkanten geometrische Unregelmäßigkeiten aufweisen. Dies betrifft auch eine Schürze sowie schürzentragende Stege.

Die in Figur 22 gezeigten Segmente eines Peltonlaufrades lassen eine Längenva- riation der Austrittskante erkennen. Die Austrittskante hat vier Wendepunkte. Ge- genüber der konventionellen Ausführung ist an der Austrittskante Material abge- tragen, so daß die Austrittskante bei der jetzt gezeigten Ausführungsform unter- halb der Radiallinie liegt.