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Laufrad für Francisturbinen
Der Wirkungsgrad von Francisturbinen hängt weitgehend von der Struktur der Strömung hinter dem Laufrad bzw. am Eintritt in das Saugrohr ab. Es wird eine wenigstens nahezu drallfreie Strömung angestrebt, die den ganzen Querschnitt des Saugrohres in Anspruch nimmt und eine verlustarme Umwandlung ihrer kinetischen Energie in Druckenergie ermöglicht. Eine solche günstige drallfreie Struktur der Strömung hinter dem Laufrad liegt normalerweise dann vor, wenn die Turbine in dem als Normallast bezeichneten Betriebspunkt mit optimalem Wirkungsgrad des Turbinenkennfeldes arbeitet. Bei Teil- und Überlast der Turbine ist die Strömung hinter dem Laufrad mehr oder weniger drallbehaftet.
Die Grösse der Umfangskomponente der örtlichen Geschwindigkeit des Wassers hängt dabei sowohl von der Lage des betreffenden Flüssigkeitsteilchens, d. h. seinem Abstand von der Turbinenachse, als auch von dem Betriebspunkt der Turbine ab.
Das Verhalten drallbehafteter Strömungen in zylindrischen oder kegelförmigen Leitungen wird bekanntlich im wesentlichen durch die Verteilung der Umfangskomponente ihrer örtlichen Geschwindigkeit über dem Radius des Leitungsquerschnittes bestimmt. Strömungen, bei denen z. B. die Umfangskomponente mit kleiner werdendem Abstand der Flüssigkeitsteilchen von der Achse zunimmt oder zu- mindest konstant bleibt, weisen mehr oder weniger starke Rückströmungen bzw. Totwassergebiete an der Achse auf. Eine solche Rückströmung hinter dem Laufrad einer Francisturbine ist durch eine freie wirbelbehaftete Trennschicht von der umgebenden drallbehafteten Hauptströmung getrennt.
Da innerhalb der Rückströmung und in den freien Wirbeln der Trennschicht Drücke vorkommen, die wesentlich kleiner als der. örtliche Druck in der umgebenden Hauptströmung sind. kann dort Kavitation auftreten. Da ferner eine Rückströmung die Hauptströmung einengt und damit deren kinetische Energie entsprechend erhöht, wird der Energieverlust im Saugrohr vergrössert und der Wirkungsgrad der Turbine entsprechend vermindert.
Infolge der schwachen Stabilität der die Rückströmung von der umgebenden Hauptströmung trennenden wirbelbehafteten freien Trennschicht können geringe örtliche Störungen, wie sie ja immer in der Strömung im Laufrad auftreten können, beträchtliche Schwankungen des frei begrenzten Rückstromgebietes hervorrufen, die stärker werden, wenn der Kern der Rückströmung oder deren wirbelbehaftete Trennschicht Kavitationskavernen enthalten, da diese kompressibel sind. Diese Schwankungen verursachen Vibrationen der Turbine und damit verbunden unruhigen und lauten Gang sowie abnehmenden Wirkungsgrad. Bei Überlast der Turbine werden die geschilderten Vorgänge besonders ungünstig, weil dabei die kinetische Energie des Wassers am Austritt aus dem Laufrad verhältnismässig gross ist.
Da es jedoch erforderlich werden kann, Turbinen regelmässig vorübergehend über längere Zeiträume mit Überlast zu betreiben, ist es besonders wichtig, die geschilderten Vorgänge im Saugrohr hauptsächlich bei Überlast der Turbine zu ändern, damit die Energieverluste zu vermindern und die Laufruhe zu verbessern.
Bei der Lösung dieses Problems gingen die Erfinder von der Überlegung aus, die Drallverteilung in der Strömung am Laufradaustritt bei der gewünschten Überlast der Maschine so zu gestalten, dass die Hauptströmung den ganzen Querschnitt des Saugrohrs ohne Ausbildung von Totwasser- bzw. Rückströmungsgebieten in Anspruch nehmen kann. Solche Strömungen werden ausgebildet, wenn die Umfangs-
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komponente der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit von aussen nach innen, d. h. mit kleiner werdendem Radius zumindest ab Mitte Austrittsbreite der Beschaufelung abnimmt und an der Achse wenigstens angenähert Null wird.
Um diese gewünschte Drallverteilung zu erzielen, ist es notwendig, die sogenannten Teilturbinen so zu dimensionieren, dass sich eine möglichst drallfreie Strömung bei Überlast an der an der Innenwand (Nabej gelegenen Teilturbine ergibt, während sie sich im optimalen Betriebspunkt des Kennfeldes in der im mittleren Bereich des Austritts der Beschaufelung gelegenen Teilturbine, also etwa in der Mitte zwischen Nabe und äusserem Rand des Laufrades einstellen muss.
Dabei sei unter Teilturbine in bekannter Weise ein Ringhohlraum verstanden, der durch zwei Rotationsflächen begrenzt wird, deren Spuren je durch eine Stromlinie im Meridianschnitt des vom Leitrad bis zum Saugrohr reichenden rotationssymmetrischen Hohlraumes gebildet werden.
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opt, wobei K > 1turbine ist, bei der die Strömung an dem ihr entsprechenden Teil des Saugrohreintritts drallfrei ist. Entsprechend den obigen Ausführungen werden die p Teilturbinen bzw.
Teillaufräder demnach derart aus-
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der Austrittsbreite der Laufschaufeln bis zur Innenwand stetig zunehmenden lichten Weite des Austritts aus der Beschaufelung die Erfindung darin, dass zur Erzielung eines günstigen Wirkungsgradverlaufes im Überlastbereich die lichte Weite an der Innenwand einen um lu%-50%, vorzugsweise 30% grösseren Wert als in der Mitte der Austrittsbreite aufweist.
Durch die Bauart der Laufschaufeln nach der Erfindung wird bei der gewünschten Überlast der Turbine eine zumindest drallarme Strömung in einem genügend grossen Bereich an der Achse der Turbine am Saugrohreintritt erzielt, wodurch die Ausbildung des Totwassers verhindert und ein ruhiger Lauf mit gutem Wirkungsgrad gewährleistet wird.
Aber auch im optimalen Betriebspunkt einer solchen Turbine erhält man eine Strömung am Saugrohreintritt, deren im äusseren Bereich des Saugrohres gelegene Hauptmasse nach wie vor drallfrei ist und welche nur an der Achse, wo die Durchflussmenge gering ist, einen unbedeutenden Drall aufweist, der jedoch keine merkbare Einbusse des Wirkungsgrades nach sich zieht.
Vor nahezu sechs Jahrzehnten wurde zwar empfohlen, zur besseren Ausnutzung des Treibmittels einer Turbine bei Teillast die lichten Austrittsweiten mit wachsendem Halbmesser ständig abnehmen zu lassen. Bei Teillast der Turbine nimmt jedoch bei einer solchen Ausführung des Laufrades die Umfangskomponente der Austrittsgeschwindigkeit der Strömung besonders an der Innenwand stark zu und wird in jedem Fall wesentlich grösser als die entsprechende Komponente bei Beschaufelung konventioneller Bauart. Dadurch entsteht jedoch an der Achse ein Totwasserraum mit Rückströmung, dessen Abmessungen wesentlich grösser als die Abmessungen des Totwassers bei dem entsprechenden Betriebspunkt konventioneller Beschaufelung sind.
Daraus folgt, dass diese für den Betrieb bei Teillast empfohlene Verbesserung gerade ein besonders ungünstiges Verhalten der Turbine verursacht, weshalb diese Empfehlung offensichtlich niemals aufgegriffen und verwirklicht worden ist. Eine Verbesserung der Arbeit der Turbine bei Teillast kann bekanntlich durch andere Mittel wie z. B. Belüftung erzielt werden, ohne dass dabei die übrigen Betriebspunkte der Maschine gefährdet werden. Eine Anwendung dieses Mittels bei Überlast der Turbine ist aber wegen der grossen erforderlichen Luftmenge und auch wegen des höheren Druckes an der Wand des Saugrohres und den damit verbundenen grösseren Schwierigkeiten der Lufteinführung mit relativ grossem Aufwand verbunden. Aus diesem Grunde ist die Ausbildung nach der Erfindung im Hinblick auf den Betrieb der Turbine bei Überlast von besonderem Vorteil.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin sind Fig. l ein Meridianschnitt durch das Laufrad einer Francisturbine, Fig. 2 ein abgewickelter Schnitt durch zwei
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Schaufeln im Austrittsbereich der Beschaufelung dieser Francisturbine, und Fig. 3 in graphischer Darstellung der Verlauf der lichten Austrittsweite zwischen zwei Schaufeln des Laufrades nach Fig. l und 2 über deren Breite.
In Fig. l sind vier Teilturbinenbzw. Teillaufräder 1, 2, 3, 4 der sich zwischen innenliegender Nabe 5 und äusserem Schaufelkranz 6 erstreckenden Laufradschaufel 7 dargestellt, die um die Achse 8 rotiert. Die Schaufelaustrittskante 9 hat eine Breite b, während die lichte Weite zwischen zwei benachbarten Schaufeln 7 und 7'mit al bezeichnet ist (Fig. 2).
Der Verlauf dieser lichten Weite a, über die Breite b vom inneren Rand i an der Nabe 9 bis zum mittleren Bereich m und weiter bis zur äusseren Begrenzung a am Schaufelkranz 6 ist ausFig. 3 zu entnehmen. Die lichte Weite ati am inneren Rand des Laufrades ist in dem dargestellten Beispiel um etwa 30% grösser als die lichte Weite 11m im mittleren Bereich.
Der Verlauf der lichten Weite a. zwischen dem mittleren Bereich m und der äusseren Begren- zung a ist stetig und wird nach Festlegung des Bereiches zwischen i und m durch die vorgegebene spezifische Gesamtdurchflussmenge bestimmt. Dieser Verlauf kann sich etwa in dem durch die gestrichelt dargestellten Linien 10 angedeuteten Bereich bewegen.