DE3938356C2 - Peltonbecher für hohe spezifische Drehzahlen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Becherformen für beispielsweise aus der DE-PS 8 54 328 bekannte Peltonturbinen-Laufräder gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 für Proportionen Strahlkreisdurchmesser D zu Strahldickendurchmesser d (Fig. 2, Fig. 3), kurz D/d genannt, im Ausmaß von kleiner als 7 bis wesentlicher kleiner als 5.

Anschaulich ausgedrückt, bedeutet ein kleines Verhältnis D/d verhältnismäßig große Peltonbecher, die sehr nahe an die Mittellinie 2 des Turbinenrades rücken, wie die Fig. 2 und 3 deutlich zeigen.

Die Erfindung besteht in der Erkenntnis von miteinander zusammenhängenden Proportionen, wie sie die Ansprüche 1 bis 5 für kleine Werte D/d angeben und die von üblichen bekannten Werten weit abweichen.

In der Fachliteratur wird für den Entwurf von Peltonrädern ein Verhältnis D/d von größer als 10 zur Erzielung guter Wirkungsgrade empfohlen, die Mehrheit ausgeführter Peltonräder besitzt ein Verhältnis D/d von 10 bis 15. Selten geht das Verhältnis D/d auf 8 herunter, ausgeführte Ausnahmen mit D/d = 6,5 sind bekannt.

Der Wunsch, kleine Verhältnisse D/d zu verwirklichen, entsteht dann, wenn man die Peltonturbine wegen ihres hervorragenden Wirkungsgradverhaltens über weite Wassermengenbereiche und wegen der Möglichkeit ihrer problemlosen fast rückwirkungsfreien Doppelregelung nicht nur im traditionellen Anwendungsgebiet großer Gefälle und relativ kleiner Wassermengen (fachlich ausgedrückt durch kleine spezifische Drehzahlen n_Q < 10 pro Düse) einsetzen will, sondern auch bei niedrigen Gefällen und großen Wassermengen und dies auch bei höchstmöglichen Drehzahlen!

Man kann ein traditionell entworfenes Peltonrad mit beispielsweise D/d = 10 und höchsten Wirkungsgraden natürlich auch mit gutem Wirkungsgrad mitten im Anwendungsbereich einer Francisturbine, z. B. bei 30 m Gefälle und 1000 l/s einsetzen, wird aber ein sehr großes teures Laufrad mit einer ungünstig niedrigen Drehzahl in Kauf nehmen müssen. Besser ist die Wahl eines kleinen Verhältnisses D/d bis unter 5 und die Auseinandersetzung mit den kinematischen Schwierigkeiten der Wasserstrahlführung, die sich dann ergeben.

Diese Schwierigkeiten sind die konstruktiven Konsequenzen eines überhängenden Freiwinkels -α₁ an der Schaufelspitze P₁ in Fig. 3, mit Definition von α₁ gegenüber der Becherrandebene R und der plus-minus-Zuordnung in Fig. 3B.

Bei stark negativen Winkeln α₁ versagen die herkömmlichen Konstruktions­ gesichtspunkte zur Konstruktion von Peltonbechern mit akzeptablen Wirkungsgraden. Deshalb existiert die Empfehlung in der Literatur, mit D/d nicht unter 10 zu gehen. Selten werden Werte um 8 verwirklicht. Das ist der Stand der Technik.

Die Fig. 1 bis 5 hingegen zeigen einen Peltonbecher mit den erfindungs­ gemäßen Merkmalen für ein Verhältnis D/d = 4,33 und für eine spezifische Drehzahl bezogen auf die Volumeneinheit 1 m³/s und definiert für eine Düse pro Laufrad von n_Q = 15.

Diese für ein Peltonrad ungewöhnlich hohe spezifische Drehzahl, definiert für eine Düse pro Rad, wird durch die erfindungsgemäßen Merkmale der Ansprüche 1 bis 5 erreicht, die am besten in Verbindung mit der Figurenbeschreibung erläutert werden:

Fig. 1 zeigt eine maßstäbliche perspektivische Ansicht der in den weiteren Figuren dargestellten Schaufel für einen typischen Beispielwert von D/d = 4,33. Fig. 1 zeigt jene äußeren Merkmale, die bei flüchtiger Betrachtung als starker Unterschied zu bekannten Peltonbechern gemäß dem derzeitigen Stand der Technik auffallen: Das sind einmal die nierenartig symmetrisch schräg zur Mittelschneide M liegenden Becherhälften, die radial innen gesehen wesentlich weiter auseinander liegen als radial außen, wie dies im weiten Auseinanderliegen der Scheitelpunkte P₃ und im starken Erweiterungs­ winkel der Höhenschichtlinien 3 (definiert parallel zur Becherrandebene R) und 4 (in der Becherrandebene R ausgehend symmetrisch vom Punkt P₄) zum Ausdruck kommt. Ferner ist die sehr starke Neigung der Mittelschneide M gegenüber der Becherrandebene R in Richtung Schneidenspitze P₁ auffallend, die einen hoch über die Becherrandebene herausragenden Punkt P₅ ergibt. Zugleich erkennt man an den Neigungswinkeln des segmentartigen Befestigungsfußes des Becherkörpers 1, daß die Montage einer derartig geformten Schaufel außergewöhnlich nahe an der Drehachse der Turbine erfolgt. Die Schaufelbefestigung im Radkörper - ob Einzelbefestigung wie in allen Figuren gezeichnet oder als Integralguß - alle Schaufeln in einem Stück mit dem Radkörper gegossen - hat mit den Merkmalen der Erfindung nichts zu tun. Zusätzliche optische Merkmale, so wie deren quantitative Festlegung in Zahlenwerten, zeigen die nächsten Figuren.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des erfindungsgemäßen Peltonbechers senkrecht zur Becherrandebene R, die in der Fig. 3 markiert ist.

Der Becher 1 rotiert mit Winkelgeschwindigkeit ω um die außergewöhnlich nahe Drehachse 2. Der Strahl mit dem Durchmesser d tangiert den Strahlkreisdurchmesser D mit Mittelpunkt auf Drehachse 2 vom Stand der Technik weit abweichend radial weit innen im Punkt P₆. Die radiale Lage des Strahles mit Durchmesser d innerhalb der markierten radialen Becherhöhe H wird jedoch in den Ansprüchen nicht festgelegt, da hier verschiedene Annahmen möglich sind, solange ein effektiver kinematischer Freiwinkel auf der Schaufelrückseite vorhanden ist.

Ein auffallendes Merkmal bei genauer Betrachtung der Ansicht Fig. 2 senkrecht zur Becherrandebene R ist der Verlauf der Bodenscheitellinie S symmetrisch zur Bechermittelebene m-m: Diese Bodenscheitellinie S ist definiert als die Verbindung der jeweils tiefsten Punkte unter der Becherrandebene R beispielsweise in ebenen Parallelschnitten senkrecht zu R und parallel zur Drehachse 2 repräsentiert durch typische Schnitte B-B, C-C und E-E in Fig. 2, im Detail dargestellt in den Fig. 3A, 4 und 5, die gleichfalls zur Verdeutlichung der Definition der Scheitellinie S beitragen. Die radial äußeren Endpunkte P₂ dieser Scheitellinie haben die Axialentfernung b₁ voneinander, die wesentlich geringer ist als die Axialentfernung b₂ der radial inneren Endpunkte P₃.

Dieses Verhältnis b₂/b₁ wird im Anspruch 2 für die erfindungsgemäße Schaufel mit 1,7 bis 2,5, vorzugsweise 2 bis 2,3 angegeben, während Konstruktionen nach dem Stand der Technik deutlich zwischen 1 und 1,4 liegen. Wesentlich in Anspruch 2 ist aber nicht nur das in Fig. 2 sichtbare große Verhältnis b₂/b₁, sondern der Verlauf der Krümmung der Bodenscheitellinie S ausgedrückt durch den Anfangstangentenwinkel B₂ im Punkt P₂ in der Ansicht Fig. 2: Dieser Winkel ist bei der erfindungsgemäßen Schaufel in Abweichung vom Stand der Technik extrem klein und wird im Anspruch 2 mit 5° bis 48°, vorzugsweise 5° bis 20° angegeben, womit die in Fig. 2 starke glockenartige Erweiterung der Linien S charakterisiert ist. Bei ausgeführten Peltonbechern nach dem Stand der Technik beträgt der so definierte Winkel B₂ beinahe 90°, selten geht er auf Werte von 70° herunter, nie aber auf so niedere Werte von 5° bis 20° wie in Fig. 2 ersichtlich und in Anspruch 2 festgelegt ist.

Fig. 2 illustriert auch den Anspruch 3: Der Winkel β₄ einer Höhenschicht­ linie parallel zum Becherrand R (definiert in Fig. 3) in einer Tiefe t₀, die so bemessen ist (ersichtlich in Fig. 3), daß die Ebene dieser Höhenschicht­ linie auch die Drehachse 2 des Peltonrades beinhaltet (deutlich zu sehen in Fig. 3), radial gemessen zwischen den Ebenen der Schnitte E-E in der Entfernung 0,55 H und C-C in der Entfernung 0,81 H (Fig. 2) beträgt 12° bis 50°, vorzugsweise 12° bis 40°. Im gezeichneten Beispiel Fig. 2 beträgt dieser Winkel β₄ = 36°.

Bei ausgeführten Beispielen nach dem Stand der Technik erreicht dieser so definierte Winkel β₄ kaum den Wert von 8° und bewegt sich meist nur um 5°.

Dieser außergewöhnlich große Winkel β₄ ist eine Folge der in Anspruch 2 festgelegten Führung der Bodenscheitellinie S und des daselbst festgelegten großen Verhältnisses b₂/b₁.

Eine weitere Folge der nierenartig schräg symmetrisch zur Mittelebene m-m angeordneten Becherhälften ist der Tangentenwinkel β₇ des Becherrandes R (gekennzeichnet in Fig. 1 und 3) in Höhe des typischen Schnittes E-E in der Entfernung 0,55 H von der Scheitellinie durch die Punkte P₃: Dieser in Fig. 2 markierte Winkel beträgt laut Anspruch 5 8° bis 18°. Bei ausgeführten Beispielen nach dem Stand der Technik beträgt der so definierte Winkel β₇ nicht 8° bis 18°, sondern nur 0° bis 5°.

Die Fig. 2 zeigt auch wiederum die Höhenschichtlinie 4 in der Ebene des Becherrandes R am Abhang der herausragenden Mittelschneide M mit dem höchsten Punkt P₅ über der Becherrandebene R.

Fig. 3 stellt den Schnitt A-A dar, dessen Führung entlang der Bodenscheitellinie S in Fig. 2 definiert ist und zum Teil parallel zur Mittelebene m-m in Fig. 2. Der vorhin unter Fig. 2 besprochene Anspruch 3 wird zum Teil auch in Fig. 3 illustriert: Eine unmittelbare Konsequenz des unter Fig. 2 beschriebenen außergewöhnlich großen Winkels β₄ ist ein ebenso außergewöhnlich steiler Winkel α₄ der Mittelschneide M gegenüber der Becherrandebene R, der bei der erfindungsgemäßen Schaufel 18° bis 50° betragen kann. Im Beispiel der Fig. 3 beträgt α₄ = 35°. Bei ausgeführten Beispielen nach dem Stand der Technik beträgt dieser Winkel höchstens 10°.

Der steile Winkel α₄ in Fig. 3 bedeutet weiters einen hoch über die Becherrandebene ragenden Anfangspunkt P₅ der Mittelschneide M, ausgedrückt durch das Koordinatenverhältnis T₅/t₂, das Werte von 0,3 bis sogar 1 annimmt. Das in den Figuren dargestellte erfindungsgemäße Beispiel weist ein Verhältnis von T₅/t₂ von 0,71 auf.

T₅ ist die Höhe des Punktes P₅ über der Becherrandebene R. "t₂" ist die größte Tiefe einer Becherhälfte gegenüber R.

Bei ausgeführten Beispielen nach dem Stand der Technik beträgt der Wert für T₅/t₂ sehr viel weniger, nämlich 0 bis 0,15 und ist manchmal auch negativ, im Falle einer Mittelschneide gänzlich unter der Becherrandebene R.

Die Fig. 3 dient auch zur Illustration von Anspruch 1: Dieser Anspruch macht eine Aussage über das Koordinatenverhältnis t₁/t₂ und über den Tangentenwinkel α₂, wobei t₁ die Tiefe des Anfangspunktes P₂ der Bodenscheitellinie S unter der Becherrandebene R ist. Die Bodenscheitellinie S wurde bereits unter Fig. 2 erläutert und ist in Fig. 2 zu sehen. Der Punkt P₂ liegt am Becherausschnitt. Dieses Verhältnis t₁ zur größten Bechertiefe t₂ nimmt bei der erfindungsgemäßen Schaufel nach Anspruch 1 ungewöhnlich hohe Werte an, nämlich bis 1,0. Ein Wert von 1,0 für das Verhältnis t₁/t₂ bedeutet gleichzeitig auch einen Winkel α₂ = 0, wobei α₂ als Tangentenwinkel im Punkt P₂ gegenüber einer Richtung parallel zur Becherrandebene R definiert ist.

In ausgeführten Beispielen nach dem Stand der Technik liegt das so definierte Koordinatenverhältnis t₁/t₂ im Bereich zwischen 0,55 und 0,8, aber nie gegen 1,0.

Die Fig. 3 zeigt auch mit dicker strichpunktierter Linie den Teilschnitt A-X, der in Fig. 2 parallel zur Mittelebene m-m definiert ist. Der für den auf m-m projizierten Schnitt A-A entlang der Bodenscheitellinie S geltende Tangenten­ winkel α₂ im Punkt P₂ kann, wie man sieht, für den Teilschnitt A-X auch null werden oder, wie im gezeichneten Beispiel für A-X in Fig. 3, auch leicht negativ werden, im Sinne der plus-minus Definition für den Winkel α₁ in Fig. 3B. Die Richtung von A-X ist wegen der Nähe und Parallelität von A-X zu m-m bereits deutlich ähnlich zur Richtung der Freiflächen-Scheitellinie F in Fig. 3, welche die Verbindung aller Rückenscheitelpunkte F - typisch gezeigt in den Schnitten B-B (Fig. 3A), C-C (Fig. 4) und E-E (Fig. 5) - darstellt. Diese so definierte Freiflächenscheitellinie endet radial außen im Schneidenpunkt P₁ und hat dort gemäß bekannten kinematischen Gesetzen des Strahleingriffes den überhängenden Freiwinkel -α₁ gegenüber der Becherrandebene R, der im gezeichneten Beispiel zufällig -17° beträgt. Die plus-minus- Definition für α₁ zeigt Fig. 3B.

Die Fig. 3 zeigt auch den Neigungswinkel β₅ der Becherrandebene R gegenüber einer radialen Bezugsebene durch die Peltonraddrehachse 2 und durch die Schnittachse P₇, dargestellt durch den Punkt P₇ dieser Bezugsebene. Der Punkt P₇ ist auf dem Strahlkreisdurchmesser D definiert, das ist der Kreis, an den die Wasserstrahlen aus einer oder mehreren Düsen tangieren. In der Projektionsansicht der Fig. 2 senkrecht zur Becherrandebene R ist die radiale Strahllage durch den Punkt P₆ gegeben, der in Fig. 3 in einer radialen Ebene parallel zur Becherrandebene R liegt. Der so definierte Neigungswinkel β₅ der Becherrandebene nach rückwärts, in die Drehrichtung, bewegt sich bei der erfindungsgemäßen Schaufel in üblichen Grenzen von 8° bis 15° und wird daher in den Ansprüchen nicht erwähnt.

Es soll jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, daß die großen aus kinematischen Gründen erforderlichen Freiwinkel an der Schaufelrückseite bei einem so niedrigen Verhältnis von D/d = 4,33, wie in den Figuren als typisches Beispiel gezeigt wird, nicht durch einfach starkes nach hinten Neigen des Bechers erzielt werden, wie es bei ausgeführten Beispielen oft zu beobachten ist und was zu einem Verlust an Umlenkwinkeln führt. Dank der Merkmale der erfindungsgemäßen Schaufel ist dieses starke nach hinten Neigen nicht notwendig, ausgedrückt durch geringen Winkel β₅.

Fig. 3B zeigt die plus-minus-Definition für den Winkel α₁.

Fig. 3A zeigt den Schnitt B-B senkrecht zur Becherrandebene R markiert in der Fig. 2 in der Entfernung 0,87 H von der Scheitellinie durch die Punkte P₃ und auch markiert in Fig. 3.

Dieser Schnitt befindet sich fast am Becherausschnitt. Er zeigt die Punkte S der Bodenscheitellinie S und den Punkt F der Scheitellinie der Freifläche an der Schaufelfläche, die eine deutlich sichtbare elliptische Kontur aufweist. Würde man auch den Wasserstrahl im Schaufelschnitt darstellen, so würde er als verzerrte Schnittellipse eines Kreiszylinders aufscheinen, zu der die elliptische Kontur beiderseits der Punkte F annähernd eine Äquidistante ist.

Fig. 4 zeigt in analoger Definition wie Fig. 3A den Schnitt C-C in der Entfernung 0,81 H von der Scheitellinie durch die Punkte P₃, markiert in Fig. 2 und soll das starke Anheben der Mittelschneide und das starke axiale nach außen Wandern der Scheitelpunkte S illustrieren.

Fig. 5 zeigt den Schnitt E-E senkrecht zur Becherrandebene R in der radialen Entfernung 0,55 H von der Scheitellinie durch die Punkte P₃, markiert in Fig. 2 und Fig. 3.

Fig. 5 illustriert den Anspruch 4, wonach der Schneidenwinkel β₆ von üblichen Ausführungen stark abweichend bei der erfindungsgemäßen Schaufel sehr groß wird, 32° bis 60°, vorzugsweise 40° bis 55°.

Bei ausgeführten Schaufeln nach dem Stand der Technik ist dieser Winkel wesentlich geringer, nämlich 12° bis maximal 30°. "β₆" ist Tangentenwinkel in M. Das Verhältnis b/B 1 im typischen Schnitt E-E in der radialen Entfernung 0,55 H von den Scheitelpunkten P₃ ist bei der erfindungsgemäßen Schaufel von üblichen Ausführungen weit abweichend groß, nämlich 0,65 bis 0,85, während ausgeführte Peltonbecher ein so definiertes Verhältnis von nur 0,45 bis maximal 0,6, und zwar im radialen Bereich 0,3 H bis 0,6 H entfernt von der Scheitellinie durch die Punkte P₃, wie in Fig. 2 definiert ist. Das bei der erfindungsgemäßen Schaufel außergewöhnlich weite Auseinanderliegen der Scheitelpunkte S in der Entfernung b in Relation zur Becherbreite B 1 verursacht beabsichtigte steilere Außenflanken der Becherschnitte zwischen S und dem Auslaufwinkel β₁, der übliche Werte aufweist, verglichen mit den flacheren Innenflanken, die von der Schneide M ausgehen.

Versteifungsrippen 5 sieht man nicht nur in Fig. 5, sondern auch in Fig. 3 und als Unsichtbare auf der Rückseite strichliert gezeichnet auch in Fig. 2, wo man die zweckmäßige gabelartige Anordnung erkennt.

Claims (5)

1. Peltonbecher für Verhältnisproportionen "Strahlkreisdurchmesser zu Strahldicke (D/d)" (Fig. 2) von Werten kleiner als 7 bis herunter auf 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneidenrücken-Freiwinkel (α₁) Werte im Bereich von plus 10° bis überhängend minus 25° (Fig. 3B) annimmt, das Verhältnis der Koordinaten (t₁/t₂) (Fig. 3) Werte von 0,82 bis 1 annimmt, vorzugsweise 0,85 bis 0,95, während der auf die Mittelebene (m-m) projizierte Winkel (α₂) (Fig. 3) des Schnittes (A-A) (Fig. 2) 0° bis 25° beträgt, vorzugsweise 5° bis 20°.

2. Peltonbecher für Verhältnisproportionen "Strahlkreisdurchmesser zu Strahldicke (D/d)" (Fig. 2) von Werten kleiner als 7 bis herunter auf 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schneiderücken-Freiwinkel (α₁) Werte im Bereich von plus 10° bis überhängend minus 25° (Fig. 3B) annimmt und mit einer solchen Führung der durch die Verbindung der jeweils tiefsten Punkte unter der Becherrandebene (R), beispielsweise in ebenen Parallelschnitten senkrecht zu (R) und parallel zur Drehachse (2) eines mit erfindungsgemäßen Peltonbechern versehenen Turbinenrads definierten Bodenscheitellinie (S) versehen ist, daß das Verhältnis der axialen Entfernungen der Endpunkte (P₂) und (P₁) (Fig. 2) der Scheitellinie (S), ausgedrückt durch (b₂/b₁) (Fig. 2), Werte von 1,7 bis 2,5 annimmt, vorzugsweise 2 bis 2,3, während zugleich der Anfangstangentenwinkel (β₂) in den Punkte (P₂) in einer Ansicht senkrecht zur Becherrandebene (R) (Fig. 2) Werte von 5° bis 48°, vorzugsweise von 5° bis 20° annimmt.

3. Peltonbecher nach Ansprüchen 1 oder 2 mit besonderer Gestaltung der Mittelschneide (M) (Fig. 2, Fig. 3), dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel β₄ von Tangenten an eine Höhenschichtlinie (3) in einer Ebene parallel zur Becherrandebene R in einer Tiefe (t₀) unter R, so daß diese Ebene auch die Drehachse (2) beinhaltet, wobei β₄ radial gesehen in der Entfernung (0,81 H) gemessen wird, wo auch der Schnitt (C-C) markiert ist, daß also dieser Winkel β₄ einen Bereich von 12° bis 50° umfaßt (Fig. 2), vorzugsweise 12° bis 40°, während gleichzeitig der Neigungswinkel (α₄) (Fig. 3) von mindestens 50% der Länge der Mittelschneide (M) 18° bis 50° beträgt, vorzugsweise 20° bis 40°. Dabei beträgt das Koordinatenverhältnis (T₅/t₂) (Fig. 3) 0,3 bis 1,0, vorzugsweise 0,4 bis 0,8.

4. Peltonbecher nach Ansprüchen 2 und 3 mit typischer Gestalt von Schnitten senkrecht zur Becherrandebene (R) im radialen Bereich von (0,3 H) bis (0,6 H), gemessen von der Scheitellinie durch die Punkte (P₃) nach radial außen, wobei diese Schnitte auch senkrecht zur Mittelebene (m-m) stehen (Fig. 2, Fig. 5), dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (b/B 1) (Fig. 5) 0,65 bis 0,85 beträgt, vorzugsweise 0,65 bis 0,75, während der mit diesen Proportionen verknüpfte Schneidenwinkel (β₆) (Fig. 5), definiert als Tangentenwinkel von (M) ausgehend, 32° bis 60° beträgt.

5. Peltonbecher nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit nierenartiger Gestalt der Ansicht senkrecht zur Becherrandebene (R) (Fig. 2), dadurch gekennzeichnet, daß der Randtangentenwinkel (β₇) (Fig. 2) in der Becherrandebene in der radialen Entfernung (0,55 H) des Schnittes (E-E), gemessen gegenüber einer Parallelen zur Mittelebene (m-m), 8° bis 18°, vorzugsweise 9° bis 12° beträgt.