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WO2013092071A1 - Peltonturbine - Google Patents

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Publication number
WO2013092071A1
WO2013092071A1 PCT/EP2012/073072 EP2012073072W WO2013092071A1 WO 2013092071 A1 WO2013092071 A1 WO 2013092071A1 EP 2012073072 W EP2012073072 W EP 2012073072W WO 2013092071 A1 WO2013092071 A1 WO 2013092071A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
impeller
guide wall
pelton
axis
pelton turbine
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/073072
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Rohne
Reiner Mack
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of WO2013092071A1 publication Critical patent/WO2013092071A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B1/00—Engines of impulse type, i.e. turbines with jets of high-velocity liquid impinging on blades or like rotors, e.g. Pelton wheels; Parts or details peculiar thereto
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B1/00—Engines of impulse type, i.e. turbines with jets of high-velocity liquid impinging on blades or like rotors, e.g. Pelton wheels; Parts or details peculiar thereto
    • F03B1/04—Nozzles; Nozzle-carrying members
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/02—Casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/12—Fluid guiding means, e.g. vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/14—Casings, housings, nacelles, gondels or the like, protecting or supporting assemblies there within
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/24—Rotors for turbines
    • F05B2240/241—Rotors for turbines of impulse type
    • F05B2240/2411—Pelton type
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a Pelton turbine with an impeller rotatably mounted about an axis with a plurality of arranged at its periphery Peltonbechern, two or more, at least one orifice having nozzle bodies for discharging a fluid jet to the Peltonbecher and a splash guard, comprising at least one over at least one Part of the axial extent of the impeller and over at least a portion in the circumferential direction around the impeller extending at a distance extending therefrom extending guide wall having at least one wall portion whose course in axial section through a directional component in the radial direction with respect to the axis of rotation of the impeller of this Weggeprofit is writable, wherein the guide wall has openings for receiving the nozzle body.
  • the guide wall is provided with passage openings into which the ejected water jets are injected and passed.
  • the openings provided for this purpose are dimensioned such that contact of the water jets with the wall of the opening to avoid friction losses is avoided.
  • the openings are characterized by large cross-sectional dimensions. However, due to the large cross-sectional dimensions spray water can easily penetrate into them, whereby the specialty practitioner fluid jet is significantly disturbed, which has a negative effect on the efficiency.
  • the invention therefore an object of the invention to develop a Pelton turbine of the type mentioned in such a way that their efficiency is further increased and disturbances caused by splashing water are largely excluded.
  • the solution according to the invention is characterized by the features of claim 1. Advantageous embodiments are described in the subclaims.
  • the guide wall has openings for receiving the nozzle body, characterized in that each nozzle body extends with its mouth at least to the impeller facing inner circumference of the guide wall and the distance between the outer hydraulic diameter of the impeller and the inner circumference of the baffle in the radial direction corresponds to 50% to 300% of the cup width of a single Pe
  • the impeller is rotatably mounted about an axis.
  • the term axis is to be understood as a geometric axis.
  • the directions related to the impeller refer to this axis.
  • the structural design can be varied, are conceivable, for example, but not limited, versions with rotatable mounting on an axis (as a component), fixed arrangement on an axle or journals and drive this.
  • the axial section corresponds to a section in a plane which is characterized by the axis and a perpendicular to it.
  • the axial extent of the impeller is understood to mean the extent of the impeller in the direction of the axis of rotation. This corresponds to the extent transverse to the direction of rotation of the impeller about the axis, in particular axis of rotation.
  • the outer hydraulic diameter corresponds to the diameter defined by the maximum extent of the impeller. This describes the area of the impeller furthest away from the axis in the radial direction or the Pelton cup arranged thereon.
  • the cup width describes the largest axial extent of the inner side of the cup parallel to the axis of rotation.
  • the solution according to the invention allows, on the one hand, the free escape of the fluid, in particular water jet as a free jet from the mouth of the nozzle body in the direction of the Peltonbecher and simultaneously prevents interference of the free jet by the after impact of the fluid, in particular water jet back to the Peltonbecker water and an entry into the, the nozzle body receiving openings.
  • This will be the Improved efficiency over known embodiments, the contact of the exiting fluid, in particular water jet with the soffit of the opening is avoided.
  • the distance between the outer hydraulic diameter of the impeller and the inner circumference of the guide wall 50% to 250% of the cup width of a single Peltonbecher, preferably 50% to 200%, more preferably 75% to 150% of the cup width, very particularly preferred 90% - 1 10% of the cup width.
  • the short distance leads to a better protection against back splashed water and thus increases the operational safety.
  • Another significant advantage is the achievable thereby more compact and cost-effective overall construction.
  • the formation of the baffle can be made in one or more parts. In this case, different configurations are conceivable with respect to the extent of this in the circumferential direction of the impeller and in the axial direction.
  • the individual options in the circumferential direction and axial direction can be combined with each other. When viewed in the circumferential direction, basically two basic shapes are used. According to a first embodiment, this is designed in the circumferential direction as a closed annular unit. The training allows a well-defined assignment of the baffle with respect to the impeller while maintaining a constant distance and easy installation.
  • the single baffle extends in the circumferential direction over an angular range of 60 ° to 255 °, preferably 72 ° to 180 °, more preferably 90 ° to 135 ° to the impeller.
  • the guide wall is designed as a ring segment.
  • the selected extension in the circumferential direction increases the accessibility to the impeller and thus the ease of maintenance while the essential spray water is still retained. Designs are possible with only one guide wall or at least two or more guide walls arranged one behind the other in the circumferential direction. In the latter case, standardized Leitwandikien can be used, which can be arranged variably depending on the application requirement.
  • the individual baffle is formed symmetrically in the axial direction.
  • the symmetrical version offers the advantage of equal boundary conditions in the vicinity of the impeller.
  • the individual guide wall can be designed according to option a) or b) with asymmetrical design in the axial direction.
  • An asymmetrical design of the baffle can optionally be used in vertical machines.
  • the individual guide wall is arranged coaxially to the axis of rotation of the impeller.
  • the extent of the baffle in the axial direction is preferably in a range of 5% to 100% of the cup width over the axial extent of the impeller addition.
  • the guide wall or at least the wall region oriented in the radial direction when viewed in axial section with at least one directional component are formed at least partially or completely preferably according to one of the following possibilities or a combination thereof:
  • the guide wall can form a kind of undercut or at least one receiving space open on one side, in which spray water can be collected in the direction of the impeller.
  • a plurality of nozzle bodies are provided, which are arranged spaced from one another in the circumferential direction about the impeller.
  • the individual nozzle bodies are arranged such that the distance of the mouth of the individual nozzle body to the inner circumference of the guide wall from 0% to 100% of the cup width, preferably 5% to 80% of the cup width, more preferably 20% to 50% of the cup width is and / or the mouth is oriented at an angle of 15 ° to 90 ° relative to the inner circumference of the baffle.
  • a further baffle is additionally arranged radially within a diameter which describes the arrangement of the pelton beakers. By this arrangement, an even better protection of the impeller is achieved.
  • the axis of rotation of the impeller is arranged horizontally or inclined to a horizontal plane.
  • the axis of rotation of the impeller is arranged vertically. Vertical arrangements are particularly advantageous for large unit performances. Here an additional splash protection is achieved.
  • FIG. 1 a illustrates schematically simplified representations of an inventive turbine in an axial section
  • FIG. 1 b illustrates an embodiment of the turbine according to FIG. 1 a in an axially perpendicular section
  • FIGS. 2a and 2b show possible embodiments of the course of a baffle in
  • FIG. 3a to 3c illustrate possible embodiments of
  • FIG. 1 a shows an embodiment of an inventive Pelton turbine 1 in an axial section.
  • FIG. 1b shows an axially perpendicular section.
  • the pelton turbine 1 comprises an impeller 2, arranged in a housing 4 and rotatably mounted about an axis A, with a plurality of pelton cups 3.1 to 3.n, which are arranged on the circumference of the impeller 2.
  • the axis of rotation A is oriented horizontally in the illustrated case.
  • the Impeller 2 is formed symmetrically in the axial direction with respect to a plane E, which is alsspannbar by two mutually perpendicular perpendicular to the axis A, symmetrically.
  • a fluid in particular water jet
  • two or more nozzle bodies 5.1 to 5.n are provided.
  • three such nozzle bodies 5.1 to 5.3 are provided in FIG. 1 b, which are spaced apart from one another in the circumferential direction of the impeller 2, preferably, but not shown here, uniformly spaced from each other.
  • a spray water protection device 8 comprising at least one, over at least a portion of the maximum axial extent I of the impeller 2 and over at least a portion in the circumferential direction about the impeller 2 querraget extending to this Seen in cross section, this has at least one wall region 10, the course of which is characterized by a directional component which is directed away from the impeller 2.
  • the baffle 9 is characterized viewed in the installed position by a minimal radial inner dimension in di- m and a maximum outer dimension as the radially -ma x relative to the axis A characterized.
  • the guide wall 9 in the embodiment of Figure 1 a extends annularly in the circumferential direction of the impeller 2 at a distance a to this.
  • the Guide wall 9 is executed closed in the circumferential direction and symmetrically with respect to a plane E, formed of two mutually perpendicular perpendicular to the axis of rotation A, executed.
  • the guide wall 9 has openings 1 1 .1 to 1 1 .n for receiving the nozzle body 5.1 to 5.n on.
  • Each of the individual nozzle bodies 5.1 to 5.n extends with its mouth 13.1 to 13.n in the radial direction to the impeller 2 directed at least to the inner periphery 14 of the baffle 2, preferably beyond.
  • the single mouth 13.1 to 13 n are aligned with the inner periphery 14 of the baffle 2, i. be arranged flush. According to a particularly advantageous embodiment, this extends beyond the guide wall 9 in the direction of the impeller 2 addition.
  • the fluid in particular water jet, exits the mouth 13.1 to 13.n of the individual nozzle bodies 5.1 to 5.n as free jet F into the intermediate space 15 formed by the objectionable arrangement of guide wall 9 and impeller 2.
  • This distance allows advantageously the free exit of the free jet F in the intermediate space 14 free from interference by splashing.
  • the arrangement of deflectors, not shown here, is possible. These allow a targeted Guiding the single fluid jet F free from an impairment of emerging from the other nozzle bodies 5.1 to 5.n fluid jets.
  • the individual nozzle body 5.1 to 5.n can be guided freely by a mechanical coupling through the guide wall 9 or stored in this or fixedly connected to the respective guide wall 9. It is crucial that the free jet F emerges on the inner circumference 14 or outside thereof from the mouth 13.1 to 13.n of the respective nozzle body 5.1 to 5.n. Also conceivable is the free mounting of the nozzle body 5.1 to 5.n and their integration in the housing. 4
  • FIGS. 2 a and 2 b are highly schematic views of possible further embodiments of the guide wall 9 in the circumferential direction of the impeller 2. Shown in a schematic simplified representation, only the outer hydraulic diameter DA and the guide wall 9 in axial section. Visible is a the impeller 2, illustrated by the outer hydraulic diameter DA, spaced associated and extending over a partial area in the circumferential direction around this guide wall 9. In the illustrated case, the guide wall 9 is designed as a ring segment.
  • FIG. 2 b illustrates an embodiment with a plurality of guide walls 9 a to 9 c arranged around this in the circumferential direction of the impeller 2. These each form ring segments, which in their entirety can form a functional unit.
  • FIGS. 3 a to 3 d illustrate, by way of example, possible embodiments of the cross-sectional geometry at a distance a to the impeller 2 arranged guide wall 9 in FIG Axial section considered.
  • FIG. 3a shows an embodiment with a conical profile, ie the wall region 10 extends outwards in the radial direction in the axial direction.
  • Figure 3b shows an embodiment with a ring segment-shaped, in particular semicircular cross-sectional geometry.
  • FIG. 3c shows a box shape and FIG. 3d shows a combined shape with conical wall area 10.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Peltonturbine (1) mit einem um eine Achse (A) drehbar gelagerten Laufrad (2) mit einer Mehrzahl von an seinem Umfang angeordneten Peltonbechern (3.1-3.n), zwei oder mehreren, zumindest eine Mündung aufweisenden Düsenkörpern (5.1-5.n) zum Ausbringen eines Fluidstrahls (F) auf die Peltonbecher (3.1-3.n) und einer Spritzwasserschutzeinrichtung (8), umfassend zumindest eine sich über wenigstens einen Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades (2) und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad (2) im Abstand (a) zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c), die zumindest einen Wandbereich (10) aufweist, dessen Verlauf im Axialschnitt betrachtet durch eine Richtungskomponente in radialer Richtung bezogen auf die Achse (A) des Laufrades (2) von dieser weggerichtet beschreibbar ist, wobei die Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) Öffnungen (11.1-11.n) zum Aufnehmen der Düsenkörper (5.1-5.n) aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düsenkörper (5.1-5.n) sich mit seiner Mündung (13.1-13.n) zumindest bis zum Laufrad (2) weisenden Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) erstreckt und der Abstand (a) zwischen dem äußerenhydraulischen Durchmesser (DA) des Laufrades (2) und dem Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) in radialer Richtung 50% bis 300% der Becherbreite (b) eines einzelnen Peltonbechers (3.1-3.n) entspricht.

Description

Peltonturbine
Die Erfindung betrifft eine Peltonturbine mit einem um eine Achse drehbar gelagerten Laufrad mit einer Mehrzahl von an seinem Umfang angeordneten Peltonbechern, zwei oder mehreren, zumindest eine Mündung aufweisenden Düsenkörpern zum Ausbringen eines Fluidstrahls auf die Peltonbecher und einer Spritzwasserschutzeinrichtung, umfassend zumindest eine sich über wenigstens einen Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad im Abstand zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand, die zumindest einen Wandbereich aufweist, dessen Verlauf im Axialschnitt betrachtet durch eine Richtungskomponente in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Laufrades von dieser weggerichtet beschreibbar ist, wobei die Leitwand Öffnungen zum Aufnehmen der Düsenkörper aufweist. Diesbezüglich wird auf WO 2006/066691 A1 und DE 883 426 verwiesen.
Beim Auftreffen der über die Düsenkörper ausgebrachten Wasserstrahlen an den Peltonbechern werden diese um fast 180° umgelenkt, wodurch die kinetische Energie am Laufradumfang hauptsächlich in mechanische Energie zum Antrieb des Laufrades umgesetzt wird. Im umgelenkten Strahl verbleibt noch eine Restenergie von bis zu 5%. Durch diese wird der umgelenkte Strahl als Spritzwasser in die seitlich des Laufrades angeordneten Bereiche gelenkt, wobei dieses an den das Laufrad umschließenden Gehäusewänden sowie der freien Oberfläche eines unterhalb der Turbine angeordneten Unterwasserkanals abprallt. Zur besseren Ableitung des Spritzwassers sind im Stand der Technik Leitwände vorgesehen. Die dadurch erzielte verbesserte Spritzwasserabfuhr ermöglicht es, eine größere Anzahl von Düsen vorzusehen, um die Energiedichte der Anlage zu erhöhen. Bei Ausführungen gemäß der WO 2006/066691 A1 ist die Leitwand mit Durchgangsöffnungen versehen, in die die auszubringenden Wasserstrahlen eingedüst und hindurchgeführt werden. Die dafür vorgesehenen Öffnungen sind derart dimensioniert, dass ein Kontakt der Wasserstrahlen mit der Wandung der Öffnung zur Vermeidung von Reibungsverlusten vermieden wird. Die Öffnungen sind dazu durch große Querschnittsabmessungen charakterisiert. Allerdings kann aufgrund der großen Querschnittsabmessungen Spritzwasser leicht in diese eindringen, wodurch der auszubringende Fluidstrahl erheblich gestört wird, was sich negativ auf den Wirkungsgrad auswirkt.
Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, eine Peltonturbine der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass deren Wirkungsgrad weiter erhöht wird und Störungen durch Spritzwasser weitestgehend ausgeschlossen werden. Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Eine Peltonturbine mit einem um eine Achse drehbar gelagerten Laufrad mit einer Mehrzahl von an seinem Umfang angeordneten Peltonbechern, zwei oder mehreren, zumindest eine Mündung aufweisenden Düsenkörpern zum Ausbringen eines Fluidstrahls auf die Peltonbecher und einer Spritzwasserschutzeinrichtung, umfassend zumindest eine sich über wenigstens einen Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad im Abstand zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand, die zumindest einen Wandbereich aufweist, dessen Verlauf im Axialschnitt betrachtet durch eine Richtungskomponente in radialer Richtung bezogen auf die Drehachse des Laufrades von dieser weggerichtet beschreibbar ist, wobei die Leitwand Öffnungen zum Aufnehmen der Düsenkörper aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Düsenkörper sich mit seiner Mündung zumindest bis zum Laufrad weisenden Innenumfang der Leitwand erstreckt und der Abstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser des Laufrades und dem Innenumfang der Leitwand in radialer Richtung 50% bis 300% der Becherbreite eines einzelnen Peltonbechers entspricht.
Das Laufrad ist drehbar um eine Achse gelagert. Der Begriff Achse ist als geometrische Achse zu verstehen. Die auf das Laufrad bezogenen Richtungsangaben beziehen sich dabei auf diese Achse. Die konstruktive Ausführung kann vielfältig erfolgen, denkbar sind beispielsweise, jedoch nicht abschließend, Ausführungen mit drehbarer Lagerung auf einer Achse (als Bauteil), Festanordnung auf einer Achse oder Achszapfen und Antrieb dieser.
Der Axialschnitt entspricht einem Schnitt in einer Ebene, welche durch die Achse und einer Senkrechten zu dieser charakterisiert ist.
Unter axialer Erstreckung des Laufrades wird die Erstreckung des Laufrades in Verlaufsrichtung der Drehachse betrachtet verstanden. Dies entspricht der Erstreckung quer zur Umlaufrichtung des Laufrades um die Achse, insbesondere Drehachse.
Der äußere hydraulische Durchmesser entspricht dem durch die maximale Erstreckung des Laufrades gelegten Durchmesser. Dieser beschreibt den von der Achse in radialer Richtung am weitesten entfernten Bereich des Laufrades beziehungsweise der an diesem angeordneten Peltonbecher.
Die Becherbreite beschreibt die größte axiale Erstreckung der Becherinnenseite parallel zur Drehachse.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht zum einen, das freie Austreten des Fluid-, insbesondere Wasserstrahls als Freistrahl aus der Mündung des Düsenkörpers in Richtung der Peltonbecher und verhindert gleichzeitig eine Störung des Freistrahls durch das nach Aufprallen des Fluid-, insbesondere Wasserstrahls auf die Peltonbecher zurückspritzenden Wassers und ein Eintreten in die, die Düsenkörper aufnehmenden Öffnungen. Dadurch wird der Wirkungsgrad gegenüber bekannten Ausführungsformen verbessert, die Berührung des austretenden Fluid-, insbesondere Wasserstrahls mit der Laibung der Öffnung wird vermieden. In einer vorteilhaften Ausbildung beträgt der Abstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser des Laufrades und dem Innenumfang der Leitwand 50% bis 250% der Becherbreite eines einzelnen Peltonbechers, vorzugsweise 50% bis 200%, besonders bevorzugt 75% bis 150% der Becherbreite, ganz besonders bevorzugt 90 % - 1 10% der Becherbreite. Der geringe Abstand führt zu einem besseren Schutz vor zurückspritzenden Wasser und erhöht dadurch die Betriebssicherheit. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der damit erzielbaren kompakteren und kostengünstigeren Gesamtbauweise.
Die Ausbildung der Leitwand kann einteilig oder mehrteilig erfolgen. Dabei sind hinsichtlich der Erstreckung dieser in Umfangsrichtung des Laufrades und in axialer Richtung unterschiedliche Ausbildungen denkbar. Die einzelnen Möglichkeiten in Umfangsrichtung und axialer Richtung können dabei miteinander kombiniert werden. In Umfangsrichtung betrachtet gelangen grundsätzlich zwei Grundformen zum Einsatz. Gemäß einer ersten Ausführung ist diese in Umfangsrichtung als geschlossene ringförmige Baueinheit ausgeführt. Die Ausbildung erlaubt eine fest definierte Zuordnung der Leitwand gegenüber dem Laufrad unter Einhaltung eines konstanten Abstandes sowie eine einfache Montage. In einer zweiten Ausführung erstreckt sich die einzelne Leitwand in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich von 60° bis 255°, vorzugsweise 72° bis 180°, besonders bevorzugt 90° bis 135° um das Laufrad. Um einen konstanten Abstand in diesem Bereich zum Laufrad einhalten zu können, ist die Leitwand als Ringsegment ausgeführt. Die gewählte Erstreckung in Umfangsrichtung erhöht je nach Ausführung der Turbine die Zugänglichkeit zum Laufrad und damit die Wartungsfreundlichkeit während das wesentliche Spritzwasser weiterhin zurückgehalten wird. Denkbar sind Ausführungen mit nur einer Leitwand oder zumindest zwei oder mehreren in Umfangsrichtung hintereinander angeordneten Leitwänden. Im letztgenannten Fall können standardisierte Leitwandeinheiten zum Einsatz gelangen, die je nach Einsatzerfordernis variabel anordenbar sind.
In axialer Richtung besteht die Möglichkeit
a) der Erstreckung der Leitwand nur über ein Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades und in besonders vorteilhafter Weise
b) der Erstreckung wenigstens über die axiale Erstreckung des Laufrades, vorzugsweise darüber hinaus.
Erstgenannte Möglichkeit gelangt beispielsweise bei nur einseitiger Anordnung einer Leitwand bezogen auf die Symmetrieebene des Laufrades zur Anwendung. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Ausführung gemäß der Möglichkeit a) oder b) ist die einzelne Leitwand in axialer Richtung symmetrisch ausgebildet. Die symmetrische Ausführung bietet den Vorteil gleicher Randbedingungen in der Umgebung des Laufrades. Des Weiteren kann gemäß einer zur vorgenannten Weiterbildung alternativen Ausführung die einzelne Leitwand gemäß der Möglichkeit a) oder b) mit in axialer Richtung asymmetrischer Ausbildung ausgeführt sein. Eine asymmetrische Ausführung der Leitwand kann dabei gegebenenfalls bei vertikalen Maschinen zum Einsatz gelangen.
Um optimale Bedingungen für das Auftreffen der Wasserstrahlen auf die Peltonbecher zu gewährleisten ist die einzelne Leitwand koaxial zur Drehachse des Laufrades angeordnet. Die Erstreckung der Leitwand in axialer Richtung erfolgt vorzugsweise in einem Bereich von 5% bis 100% der Becherbreite über die axiale Erstreckung des Laufrades hinaus. Die Leitwand oder zumindest der im Axialschnitt betrachtet mit zumindest einer Richtungskomponente in radialer Richtung ausgerichtete Wandbereich sind zumindest teilweise oder vollständig vorzugsweise gemäß einer der nachfolgenden Möglichkeiten oder einer Kombination aus diesen ausgebildet:
- konisch, d.h. in radialer Richtung geneigt unter Vergrößerung der Abmessung der Leitwand in axialer Richtung
- kreis- oder ringsegmentförmig
- gerundet
- trompetenförmig, insbesondere trompetenförmig erweitert
- kästen- oder topfförmig.
Die genannten Möglichkeiten bieten den Vorteil, dass die Leitwand eine Art Hinterschneidung oder zumindest einseitig offenen Aufnahmeraum bilden kann, in welcher Spritzwasser in Richtung des Laufrades aufgefangen werden kann.
Zum Ausbringen des Fluids, insbesondere Wassers in Richtung der Peltonbecher sind eine Mehrzahl von Düsenkörpern vorgesehen, die in Umfangsrichtung um das Laufrad beabstandet zueinander angeordnet sind. In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die einzelnen Düsenkörper derart angeordnet, dass der Abstand der Mündung des einzelnen Düsenkörpers zum Innenumfang der Leitwand von 0% bis 100% der Becherbreite, vorzugsweise 5 % bis 80% der Becherbreite, besonders bevorzugt 20% bis 50% der Becherbreite beträgt und/oder die Mündung in einem Winkel von 15° bis 90° gegenüber dem Innenumfang der Leitwand ausgerichtet ist. Durch die Variation des Winkels wird eine Optimierung zwischen Ablaufgeschwindigkeit im einseitig offenen Aufnahmeraum und Gesamtbauraum geschaffen. Durch die Wahl des Abstandes wird die Schutzwirkung verbessert, wobei insbesondere ein guter Schutz bei einem vorzugsweisen Abstand erhalten wird. So besteht die Möglichkeit bei entsprechender Wahl des Abstandes Strahlablenker einzubauen. In einer weiteren Ausbildung ist radial innerhalb eines die Anordnung der Peltonbecher beschreibenden Durchmessers zusätzlich eine weitere Leitwand angeordnet. Durch diese Anordnung wird ein noch besserer Schutz des Laufrades erzielt.
Hinsichtlich der Ausrichtung des Laufrades bestehen grundsätzlich unterschiedliche Möglichkeiten. In einer ersten Variante ist die Drehachse des Laufrades horizontal oder gegen eine Horizontalebene geneigt angeordnet. In einer weiteren zweiten Variante ist die Drehachse des Laufrades vertikal angeordnet. Vertikale Anordnungen sind insbesondere bei großen Einheitsleistungen vorteilhaft. Hier wird ein zusätzlicher Spritzwasserschutz erreicht.
Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 a verdeutlicht in schematisiert vereinfachter Darstellungen eine erfindungsgemäß ausgeführte Turbine in einem Axialschnitt;
Figur 1 b verdeutlicht eine Ausführung der Turbine gemäß Figur 1 a in einem achssenkrechten Schnitt;
Figuren 2a und 2b zeigen mögliche Ausführungen des Verlaufs einer Leitwand in
Umfangsrichtung um das Laufrad betrachtet;
Figuren 3a bis 3c verdeutlichen mögliche Ausführungen der
Querschnittsgeometrie der Leitwand in einem Axialschnitt betrachtet. Figur 1 a zeigt eine Ausführung einer erfindungsgemäß ausgeführten Peltonturbine 1 in einem Axialschnitt. Die Figur 1 b zeigt einen achssenkrechten Schnitt. Die Peltonturbine 1 umfasst ein in einem Gehäuse 4 angeordnetes und drehbar um eine Achse A gelagertes Laufrad 2 mit einer Mehrzahl von Peltonbechern 3.1 bis 3.n, die am Umfang des Laufrades 2 angeordnet sind. Die Drehachse A ist im dargestellten Fall horizontal ausgerichtet. Der maximale radiale Durchmesser des Laufrades 2, welcher die maximale radiale Erstreckung der Peltonbecher 3.1 bis 3.n charakterisiert, beschreibt den äußeren hydraulischen Durchmesser DA. Das Laufrad 2 ist in axialer Richtung bezüglich einer Ebene E, die durch zwei zueinander senkrecht ausgerichtete Senkrechte zur Achse A aufspannbar ist, symmetrisch ausgebildet. Zum Aufbringen eines Fluid-, insbesondere Wasserstrahls auf die einzelnen Peltonbecher 3.1 bis 3.n sind zwei oder mehrere Düsenkörper 5.1 bis 5.n vorgesehen. Beispielhaft sind in Figur 1 b drei derartige Düsenkörper 5.1 bis 5.3 vorgesehen, die in Umfangsrichtung des Laufrades 2 beabstandet zueinander, vorzugsweise, hier jedoch nicht dargestellt, gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind. Diese sind außerhalb des maximalen radialen Durchmessers DA des Laufrades 2 angeordnet und derart ausgerichtet, dass diese geeignet sind, einen Fluid, -insbesondere Wasserstrahl gegen die Peltonbecher 3.1 bis 3.n zu richten, d.h. mit einer Richtungskomponente in tangentialer Richtung oder geneigt zu dieser. Das in den Peltonbechern 3.1 bis 3.n umgelenkte Spritzwasser wird gegen die Innenwände des Gehäuses 4 geschleudert und gelangt aus diesem in einen Unterwasserkanal 6, in welchem das dort befindliche Wasser durch einen Spiegel 6.1 beschreibbar ist. Der so genannte Freihang 7 beschreibt einen Abstand y zwischen der als Drehachse fungierenden Achse A des Laufrades 2 und dem Spiegel 6.1 des Unterwasserkanals 6. Um einen negativen Einfluss von Spritzwasser auf die über die einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n gegen die Peltonbecher 3.1 bis 3.n ausgebrachten Fluid-, insbesondere Wasserstrahlen zu verhindern, ist eine Spritzwasserschutzeinrichtung 8 vorgesehen, umfassend zumindest eine, sich über wenigstens einen Teilbereich der maximalen axialen Erstreckung I des Laufrads 2 und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad 2 beanstandet zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand 9. Diese weißt im Querschnitt betrachtet zumindest einen Wandbereich 10 auf, dessen Verlauf durch eine Richtungskomponente charakterisiert ist, die vom Laufrad 2 weggerichtet ist. Die Leitwand 9 ist dadurch in Einbaulage betrachtet durch eine minimale radial innere Abmessung di-min und eine maximale radial äußere Abmessung da-max bezogen auf die Achse A charakterisiert. Die Leitwand 9 bei der Ausführung gemäß Figur 1 a verläuft ringförmig in Umfangsrichtung des Laufrades 2 in einem Abstand a um dieses. Die Leitwand 9 ist in Umfangsrichtung geschlossen ausgeführt und symmetrisch bezogen auf eine Ebene E, gebildet aus zwei zueinander senkrecht ausgerichteten Senkrechten zur Drehachse A, ausgeführt. Dabei bildet diese mit dem Gehäuse 4 und den übrigen Komponenten Spritzwasser-Abfuhrkanäle 12.1 und 12.2, welche jeweils beidseitig dieser Symmetrieebene E und in Umfangsrichtung um die als Drehachse fungierende Achse A verlaufend angeordnet sind.
Die Leitwand 9 weist Öffnungen 1 1 .1 bis 1 1 .n zur Aufnahme der Düsenkörper 5.1 bis 5.n auf. Jeder der einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n erstreckt sich dabei mit seiner Mündung 13.1 bis 13.n in Radialrichtung zum Laufrad 2 gerichtet zumindest bis zum Innenumfang 14 der Leitwand 2, vorzugsweise darüber hinaus. Dabei kann die einzelne Mündung 13.1 bis 13. n mit dem Innenumfang 14 der Leitwand 2 fluchten, d.h. bündig angeordnet werden. Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführung erstreckt sich diese über die Leitwand 9 in Richtung zum Laufrad 2 hinaus. Dadurch tritt der aus der Mündung 13.1 bis 13.n der einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n austretende Fluid-, insbesondere Wasserstrahl als Freistrahl F in den durch die beanstandete Anordnung von Leitwand 9 und Laufrad 2 gebildeten Zwischenraum 15 aus.
Erfindungsgemäß ist der Abstand a zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser DA des Laufrades 2 und dem Innenumfang 14, insbesondere der Minimalabstand zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser DA des Laufrades 2 und dem Bereich des Innenumfanges 14 mit minimalsten Abstand d,. min derart gewählt, dass dieser im Bereich zwischen einschließlich 50 % des 300 % der Becherbreite b, insbesondere 50 % bis 250 %, gegebenenfalls 50 % bis 200 %, vorzugsweise 75% bis 150 % der Becherbreite b, besonders bevorzugt 90 % bis 1 10 % der Becherbreite b beträgt. Dieser Abstand ermöglicht in vorteilhafter Weise den freien Austritt des Freistrahls F in den Zwischenraum 14 frei von einer Beeinträchtigung durch Spritzwasser. Ferner ist die Anordnung von hier nicht dargestellten Ablenkeinrichtungen möglich. Diese ermöglichen eine zielgerichtete Führung des einzelnen Fluidstrahls F frei von einer Beeinträchtigung der aus den anderen Düsenkörpern 5.1 bis 5.n austretenden Fluidstrahlen.
Die einzelnen Düsenkörper 5.1 bis 5.n können dabei frei von einer mechanischen Kopplung durch die Leitwand 9 geführt werden oder aber in dieser gelagert oder mit der jeweiligen Leitwand 9 fest verbunden sein. Entscheidend ist, dass der Freistrahl F am Innenumfang 14 oder aber außerhalb dessen aus der Mündung 13.1 bis 13.n des jeweiligen Düsenkörpers 5.1 bis 5.n austritt. Ferner denkbar ist die freie Montage der Düsenkörper 5.1 bis 5.n und deren Integration in das Gehäuse 4.
Die Figur 1 b verdeutlicht eine Ausführung der Leitwand 9 in Umfangsrichtung um die Achse A als ringförmige geschlossene Einheit. Diese ist koaxial zur Achse A angeordnet. Demgegenüber zeigen die Figuren 2a und 2b stark schematisiert mögliche weitere Ausführungen der Leitwand 9 in Umfangsrichtung des Laufrades 2 betrachtet. Dargestellt ist in schematisiert vereinfachter Darstellung lediglich der äußere hydraulische Durchmesser DA sowie die Leitwand 9 im Axialschnitt. Erkennbar ist eine dem Laufrad 2, verdeutlicht durch den äußeren hydraulischen Durchmesser DA, beabstandet zugeordnete und sich über einen Teilbereich in Umfangsrichtung um diese erstreckende Leitwand 9. Im dargestellten Fall ist die Leitwand 9 als Ringssegment ausgeführt. Dieses erstreckt sich über einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad 2, vorzugsweise in einem Winkel α im Bereich von 60° bis 255°, vorzugsweise 72° bis 180°, besonders bevorzugt 90° bis 135° um das Laufrad 2.
Demgegenüber verdeutlicht die Figur 2b eine Ausführung mit mehreren in Umfangsrichtung des Laufrades 2 um dieses angeordneten Leitwänden 9.a bis 9.c. Diese bilden jeweils Ringsegmente, die in ihrer Gesamtheit eine Funktionseinheit bilden können.
Die Figuren 3a bis 3d verdeutlichen beispielhaft mögliche Ausbildungen der Querschnittsgeometrie im Abstand a zum Laufrad 2 angeordneten Leitwand 9 im Axialschnitt betrachtet. Figur 3a zeigt eine Ausführung mit konischem Verlauf, d.h. der Wandbereich 10 erstreckt sich in radialer Richtung in axialer Richtung nach außen. Figur 3b zeigt eine Ausführung mit einer ringsegmentförmigen, insbesondere halbkreisförmigen Querschnittsgeometrie. Figur 3c zeigt eine Kastenform und Figur 3d eine kombinierte Form mit konischem Wandbereich 10.
Bezugszeichenliste 1 Peltonturbine
2 Laufrad
1 -3. n Peltonbecher
4 Gehäuse
-5.n Düsenkörper
6 Unterwasserkanal
6.1 Spiegel
7 Freihang
8 Spritzwasserschutzeinrichtung
b, 9.c Leitwand
10 Wandbereich
-1 1 .Π Öffnungen
, 12.2 Spritzwasser-Abfuhrkanal
-13. n Mündung
14 Innenumfang
15 Zwischenraum
a Abstand zwischen dem äußeren hydraulischen
Durchmesser DA des Laufrades 2 und dem Innenumfang 14
A Achse, Drehachse
b Becherbreite
DA äußerer hydraulischer Durchmesser
di-min minimale radiale Abmessung bezogen auf Achse A da-max maximalste radiale Abmessung bezogen auf Achse A
F Freistrahl
I axiale Erstreckung
y Abstand
α Winkel

Claims

Patentansprüche
Peltonturbine (1 ) mit einem um eine Achse (A) drehbar gelagerten Laufrad (2) mit einer Mehrzahl von an seinem Umfang angeordneten Peltonbechern (3.1 -3. n), zwei oder mehreren, zumindest eine Mündung aufweisenden Düsenkörpern (5.1 -5. n) zum Ausbringen eines Fluidstrahls (F) auf die Peltonbecher (3.1 -3. n ) und einer Spritzwasserschutzeinrichtung (8), umfassend zumindest eine sich über wenigstens einen Teilbereich der axialen Erstreckung des Laufrades (2) und sich über wenigstens einen Teilbereich in Umfangsrichtung um das Laufrad (2) im Abstand (a) zu diesem erstreckend verlaufende Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c), die zumindest einen Wandbereich (10) aufweist, dessen Verlauf im Axialschnitt betrachtet durch eine Richtungskomponente in radialer Richtung bezogen auf die Achse (A) des Laufrades (2) von dieser weggerichtet beschreibbar ist, wobei die Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) Öffnungen (1 1 .1 -1 1 .n) zum Aufnehmen der Düsenkörper (5.1 -5. n) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
dass jeder Düsenkörper (5.1 -5.n) sich mit seiner Mündung (13.1 -13. n) zumindest bis zum Laufrad (2) weisenden Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) erstreckt und der Abstand (a) zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser (DA) des Laufrades (2) und dem Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) in radialer Richtung 50% bis 300% der Becherbreite (b) eines einzelnen Peltonbechers (3.1 -3. n) entspricht.
Peltonturbine (1 ) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Abstand (a) zwischen dem äußeren hydraulischen Durchmesser (DA) des Laufrades (2) und dem Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b,
9.c) 50% bis 250% der Becherbreite (b) eines einzelnen Peltonbechers (3.1 - 3.n), vorzugsweise 50% bis 200%, besonders bevorzugt 75% bis 150% der Becherbreite (b), ganz besonders bevorzugt 90 % - 1 10% der Becherbreite (b) beträgt.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelne Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) in Umfangs chtung als geschlossene ringförmige Baueinheit ausgeführt ist.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelne Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) sich in Umfangsrichtung über einen Winkelbereich von 60° bis 255°, vorzugsweise 72° bis 180°, besonders bevorzugt 90° bis 135° um das Laufrad (2) erstreckt.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelne Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) sich in axialer Richtung wenigstens über die axiale Erstreckung (I) des Laufrades (2) erstreckend ausgeführt ist.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelne Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) in axialer Richtung symmetrisch ausgebildet ist.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelne Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) koaxial zur Achse (A) des Laufrades (2) angeordnet ist. Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) oder zumindest der in radialer Richtung ausgerichtete Wandbereich (10) im Axialschnitt betrachtet zumindest teilweise gemäß einer der nachfolgenden Möglichkeiten oder eine Kombination aus diesen ausgebildet ist:
- konisch
- kreis- oder ringsegmentförmig
- gerundet
- trompetenförmig
- kästen- oder topfförmig
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die einzelnen Düsenkörper (5.1 -5. n) derart angeordnet sind, dass der Abstand der Mündung (13.1 -13. n) des einzelnen Düsenkörpers (5.1 -5. n) zum Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) von 0% bis 100% der Becherbreite (b), vorzugsweise 5 % bis 80% der Becherbreite (b), besonders bevorzugt 20% bis 50% der Becherbreite (b) beträgt und/oder die Mündung (13.1 -13. n) in einem Winkel von 15° bis 90° gegenüber dem Innenumfang (14) der Leitwand (9, 9.a, 9.b, 9.c) ausgerichtet ist.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass radial innerhalb eines die Anordnung der Peltonbecher (3.1 -3. n) beschreibenden Durchmessers eine weitere Leitwand angeordnet ist.
Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehachse des Laufrades (2) horizontal oder gegen eine Horizontalebene geneigt angeordnet ist.
12. Peltonturbine (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Drehachse des Laufrades (2) vertikal angeordnet ist.
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