AT403188B

AT403188B - Wide-range axial turbine

Info

Publication number: AT403188B
Application number: AT0229992A
Authority: AT
Inventors: Benno Dipl Ing Buchelt
Original assignee: Efg Turbinen Und Kraftwerksanl
Priority date: 1992-11-19
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1997-11-25
Also published as: ATA229992A

Abstract

The bearing of the Kaplan rotor located downstream allows the formation of a highly curved meridian in the region of the rotor, assisted by an enlargement in the rotating hub upstream of the rotor. The secondary centrifugal forces caused by this cause distortion of the meridian speed cm with a radial increase, in a similar way to the linear increase in the circumferential speed u, so that the rectangular composition of u and cm to form winfinity at the angle βinfinity according to the known terminology of aerofoil theory leads to the expectation of a slightly twisted rotor blade given a rated-load design. In consequence, even the twist error at partial load is less pronounced, and the operating range of the turbine is thus greater than for a conventional axial turbine.

Description

       

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   Die vorliegende Erfindung betrifft Kaplan-Rohrturbinen mit annähernd   axialer Einlauf-und Auslaufströ-   mungund hat die Zielsetzung, den Wassermengen - Regelbereich mit akzeptablen Wirkungsgraden noch mehr zu erweitern als dies bei herkömmlichen   Kaplan-Rohrturbinen   bereits der Fall ist. 



  Die Verwindung der Lelt-und insbesondere der Laufradschaufeln passt nur in der   Auslegestellung stossfrei   in die Strömung. Bei Teillaststellung der Schaufel müsste sich auch die Verwindung ändern, was kaum mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Der Erfindungsgedanke besteht nun dann durch absichtlich starke Meridiankrümmung im Bereiche des Laufrades die radiale Verteilung der   Mendiangeschwindigkelt   Cm (Fig. 1) ähnlich wie die Umfangsgeschwindigkeit u stark nach radial aussen zunehmen zu lassen, so dass die Verwindung der Schaufel In der auslegestellung schwach ausfällt und daher der Fehler der nicht passenden Vewindung bei Teil- und Überlast gering sein wird. 



   Dieses Erfindungsziel erfordert die Gleichzeitigkeit des Auftretens mehrerer Merkmale : 'Der Meridian muss stromaufwärts und stromabwärts vom Laufrad ansteigen, damit die   In Fig. 1   gezeigte radial zunehmende Verteilung der Meridiangeschwindigkeit sich einstellt und zusammen mit der linear zunehmenden Umfangsgeschwindigkeit eine geringmöglichste Verwindung der Schaufel ergibt und damit einen geringmöglichsten Verwindungsfehler bei Teillast gegenüber der üblichen
Vollastauslegung der Schaufel. 



     *   Die Leitschaufeln müssen ebenso wie die Laufschaufeln verstellbar sein, was ja die übliche
Massnahme bei Kaplanturbinen für weiten Regelbereich darstellt. 



     *   Der stromaufwärts und stromabwärts vom Laufrad radial ansteigende Meridian soll rotationssymme- trisch sein und soll im   Beschleunigungs-Einlaufteil   und im Diffusor-Abströmteil keine Stützrippen enthalten, damit sich drallbehaftete Strömungszustände in Beschleunigungsteil und Ringdiffusor frei einstellen können. 



   Im Stand der Technik kann man bei keinem ausgeführten Beispiel die Gleichzeitigkeit der drei angeführten Merkmale beobachten. 



  Patentschritten mit ähnlichen Strukturen verfolgen auch andere Erfindungsziele als die des weiten   Regelbe-   riches, weshalb die oben angeführten drei Merkmale nicht gleichzeitig zutreffen. 



   Das von der Meridianform her am nahesten kommende Schweizer Patent CH-332959 von Escher Wyss entstand aus dem Bestreben einer kompakten Bauweise. Fig. 1 dieses Patentes zeigt erstens starre Leitschaufeln als für weite Mengenregelung hinderliche Konstruktionsmassnahme und zweitens verhindern diese starren Leitschaufeln und gleichzeitigen Stützrippen die freie Drallausbildung. 



  Selbst wenn der Stützkörper 1 dieses Patentes noch zusätzliche Leitschaufeln beinhalten   würde- wie   man bei vielen S-Rohrturbinen beobachten kann-würde die unmittelbare Nähe der starren Stützrippen zu den   Verstell-Leitschaufeln   die freie Drallausbildung bei Teillast stromaufwärts von den Leitschaufeln behindern. Letzteres ist auch ein Hindernis für gute Teillastwirkungsgrade bei S-Turbinen mit den bekannten beulenförmigen   Einlaufkörpern   mit Stützrippen und   Verstelleitschaufeln   in unmittelbarer Nachbarschaft. 



  Die Patentansprüche der CH-332959 betonen den Einbau des E-Generators in die Nabe stromabwärts vom Laufrad, verfolgen also ein anderes Erfindungsziel. 



  Diese Maschine ist also als Weitbereichs-Rohrturbine ungeeignet
Das Patent DE-905 720 der Firma Voith zeigt in Abb. 1 eine Rohrturbine mit eingangs feststehendemd. h. nicht rotierendem Stützkörper mit dem gerade vorhin geschilderten Nachteil von   Versteliieitschauf-   ein in unmittelbarer Nachbarschaft von feststehenden Stützrippen. Hier wird ein   erstesmal   die freie 
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 freie Drallentwicklung bei Teillast stromabwärts vom Laufrad dadurch behindert, dass der Diffusor nicht rotationssymmetrisch ist, sondern sich in zwei Kanäle 23 und 24 aufgabeit, wie die Abb. 2 und Abb. 3 zeigen, wobei diese den Wirkungsgrad und damit den Mengenregelbereich einschränkende Aufgabelung des Diffusors auch Gegenstand des Hauptanspruches 1 dieses Patentes   1St.   



  Auch diese Maschine ist als Weitbereichs-Rohrturbine ungeeignet. 



   Das russische Patent SU 1178-925-A nimmt grundsätzlich die propellerähnliche nach vorne fliegende Lagerung und die Abwesenheit von Stützrippen in unmittelbarer Nähe der Leit-und Laufschaufelgitter vorweg, zeigt aber einen rein zylindrischen Meridian vor und nach dem Laufrad im Gegensatz zum radial vor und nach dem Laufrad ansteigenden Meridian der nunmehr auf Fig. 1 allein beschränkten A-2299/92. 



  Der Abströmkanal der SU 1178-925-A kann nicht rotationssymmetrisch sein, da das stromabwärts gelegene Getriebegehäuse umströmt werden muss. 



  Die Patentansprüche der SU 1178-925-A befassen sich auch nicht mit der Strömung durch die Wasserturbine, sondern mit einem vermeintlichen Vorteil der Abdichtung des Zahnradgetriebes, indem dessen Innenraum mit Drucköl aufgefüllt wird. 



  Dies ist eine weitere Maschine, die als Weitbereichs-Rohrturbine nicht besser geeignet ist, wie bekannte Rohrturbinen. 

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   The present invention relates to Kaplan tube turbines with an approximately axial inlet and outlet flow and has the objective of expanding the water quantity control range even more with acceptable efficiencies than is already the case with conventional Kaplan tube turbines.



  The twisting of the Lelt and especially the impeller blades fits smoothly into the flow only in the design position. When the bucket is at partial load, the torsion would also have to change, which is hardly possible with reasonable effort. The idea of the invention then consists in intentionally strong meridian curvature in the area of the impeller, the radial distribution of the Mendian velocity Cm (Fig. 1) similar to the peripheral speed u to increase radially outwards, so that the torsion of the blade is weak in the design position and therefore the error of the mismatching thread at partial and overload will be small.



   This objective of the invention requires the simultaneous occurrence of several features: 'The meridian must rise upstream and downstream of the impeller so that the radially increasing distribution of the meridian speed shown in FIG. 1 occurs and, together with the linearly increasing circumferential speed, results in the least possible twisting of the blade and thus the smallest possible twisting error at partial load compared to the usual one
Full load design of the bucket.



     * The guide vanes as well as the rotor vanes must be adjustable, which is the usual
Measure for Kaplan turbines for a wide control range.



     * The meridian, which rises radially upstream and downstream of the impeller, should be rotationally symmetrical and should not contain any support ribs in the acceleration inlet part and in the diffuser outflow part, so that swirling flow conditions in the acceleration part and ring diffuser can be freely set.



   In the prior art, the simultaneity of the three features mentioned cannot be observed in any of the examples.



  Patent steps with similar structures also pursue other objectives of the invention than those of the broad regulation area, which is why the three features mentioned above do not apply at the same time.



   The closest Swiss patent CH-332959 from Escher Wyss, based on the meridian shape, originated from the aim of a compact design. Fig. 1 of this patent shows, firstly, rigid guide vanes as a design measure which hinders a wide flow control and, secondly, these rigid guide vanes and simultaneous support ribs prevent free swirl formation.



  Even if the support body 1 of this patent still included additional guide vanes - as can be seen in many S-tube turbines - the immediate proximity of the rigid support ribs to the adjusting guide vanes would impede the free formation of swirl at partial load upstream of the guide vanes. The latter is also an obstacle to good partial-load efficiency in S-turbines with the well-known bulge-shaped inlet bodies with support ribs and adjusting vanes in the immediate vicinity.



  The claims of CH-332959 emphasize the installation of the e-generator in the hub downstream of the impeller, thus pursuing a different object of the invention.



  This machine is therefore unsuitable as a wide-range tubular turbine
The patent DE-905 720 of the Voith company shows in Fig. 1 a tubular turbine with a fixed external opening. H. Non-rotating support body with the just described disadvantage of Versteliieitschauf- a in the immediate vicinity of fixed support ribs. Here is the first time the free one
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 Free swirl development at partial load downstream of the impeller is hampered by the fact that the diffuser is not rotationally symmetrical, but rather can be opened up in two channels 23 and 24, as shown in Figs. 2 and 3, whereby the fork's fork, which limits the efficiency and thus the volume control range also the subject of main claim 1 of this patent 1St.



  This machine is also unsuitable as a wide-range tubular turbine.



   The Russian patent SU 1178-925-A basically anticipates the propeller-like bearing flying forward and the absence of support ribs in the immediate vicinity of the guide and rotor blade grilles, but shows a purely cylindrical meridian before and after the impeller in contrast to the radial before and after the impeller rising meridian of the A-2299/92, which is now limited to FIG. 1 alone.



  The outflow channel of the SU 1178-925-A cannot be rotationally symmetrical, since the downstream gearbox housing must be flowed around.



  The claims of SU 1178-925-A also do not deal with the flow through the water turbine, but with a supposed advantage of sealing the gear transmission by filling its interior with pressure oil.



  This is another machine that is not better suited as a wide range tubular turbine than known tubular turbines.

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Claims

The selection of the simultaneously applicable features of the present application, as appearing in the sole claim 1, can obviously only be made in the present combination by someone who intends a radially increasing meridian velocity as an expression of the balance of forces in a strongly curved meridian flow, with the possibility of free Swirl development upstream and downstream of the two adjustable vane grilles 1 and 2 of FIG. 1.

This combination of features, which is necessary for the special purpose of the wide-range tubular turbine, does not apply to the references because of other purposes.

Fig. 1 shows a strong meridian curvature U-shaped surrounding the blade, whereby according to the balance of forces in the curved flow, (the curvature expressed by the angles ss1, ss2 and ss3, which can be between 15 and 50th and the ratio of the hub diameter) N2 to N1 greater than 1 to a maximum of 1.6, and radius R1 of a typical streamline), in addition to the u distribution according to diagram 10 in FIG. 1, which increases linearly outwards, there is also a meridian velocity Cm increasing radially outwards, which in turn results in the desired a small blade twist is possible.

As a result of the steep angles ss1 and ss2 of the double-cone diffuser immediately downstream from the impeller, the spatial use of the diffuser hub for gearboxes - as shown in FIG. 1 - and generators is appropriate. The flying upstream arrangement of the impeller enables free swirl development at partial load without disruptive support ribs upstream from the impeller. Because of the pronounced diffuser integrated in the machine, there is less effort in the concrete structure than with conventional tubular turbines with the impeller directed downstream. A planar arrangement 8 of the guide vane axes is also possible, parallel to the plane 9 of the moving vane axes.

1, the inflow direction 15, the outflow direction 16, the support ribs 6, the gear 13, the generator 12, the hub diffuser 7 and the concrete diffuser 14 are identified. FIG. 4A shows the obliquely incident Merdiane contour upstream of the impeller, FIG. 4 the obliquely increasing contour downstream of the impeller.

The hub diameter N1 in FIG. 1 is defined as the diameter of the hub in a plane perpendicular to the turbine axis in which the blade leading edges also intersect with the hub.

1. Pipe turbine according to the Kaplan system with adjustable rotor blades and adjustable overhung guide vanes located upstream from the impeller with bearing of the impeller by means of a shaft and bearing downstream of the impeller, with a rotationally symmetrical ring diffuser downstream of the impeller, consisting of two radially with the angles (ss1) and (ss2) cone rising in the direction of flow, the steepest part of this ring diffuser immediately downstream after the Impeller is free of support ribs and in which also the radially outer contour of the meridian in Inlet near area of the impeller has an inclined tangent with the angle (ss3) CHARACTERIZED BY the fact that an overhung rotating impeller hub (3) increases upstream from a diameter (N1) to a diameter (N2),

wherein the ratio N2 / N1 is between 1 and 1.6.