CH310937A - Two-stage Kaplan turbine. - Google Patents

Two-stage Kaplan turbine.

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CH310937A
CH310937A CH310937DA CH310937A CH 310937 A CH310937 A CH 310937A CH 310937D A CH310937D A CH 310937DA CH 310937 A CH310937 A CH 310937A
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CH
Switzerland
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stage
blades
kaplan turbine
impeller
turbine according
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German (de)
Inventor
Gmbh J M Voith
Original Assignee
Gmbh J M Voith
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Publication date
Application filed by Gmbh J M Voith filed Critical Gmbh J M Voith
Publication of CH310937A publication Critical patent/CH310937A/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03BMACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/04Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines
    • F03B3/06Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with substantially axial flow throughout rotors, e.g. propeller turbines with adjustable blades, e.g. Kaplan turbines
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20Hydro energy

Description

  

  Zweistufige Kaplanturbine.    In dein Bestreben, axial durchströmte  Wasserturbinen (Propeller- und Kaplan  turbinen) für immer grössere Gefälle zur An  wendung bringen zu können, sind bereits  Ausführungen vorgeschlagen worden, bei  denen zwei Laufräder mit festen oder ver  stellbaren Schaufeln unmittelbar, also ohne  Zwischenschaltung eines Leitapparates, hin  tereinander angeordnet sind.  



  Der Erfindung liegt die Aufgabe zu  grunde, eine zweistufige Kaplanturbine so  auszubilden, dass sie mit möglichst hohem  Wirkungsgrad und möglichst geringer Kavi  tation arbeitet. Gemäss der Erfindung wird  dies dadurch erreicht, dass die erste Stufe  als Hochdrucklaufrad mit einem Verhältnis  Nabendurchmesser/Aussendurchmesser der  Beschaufelung mindestens 0,5 und die zweite  Stufe als Niederdrucklaufrad ausgebildet ist,  welches bei höchstens gleichem Aussendurch  messer einen kleineren Innendurchmesser  als das Hochdrucklaufrad aufweist, wobei  die Verhältnisse so gewählt sind, dass das  Nabenverhältnis des Hochdrucklaufrades  mindestens 10% grösser ist als das Naben  verhältnis des Niederdrucklaufrades.  



  Es ist an sich bereits vorgeschlagen wor  den, bei einer zweistufigen Kaplanturbine  den Durchflussquerschnitt der zweiten Stufe  grösser zu wählen als den Durchflussquer  schnitt der ersten Stufe. Dies wird dort aber  dadurch erreicht, dass bei gleichbleibendem  Nabendurchmesser der Aussendurchmesser    in den beiden Stufen, mindestens aber in der  zweiten Stufe vom Eintritt bis zum Austritt  stetig     zunimmt.    Dabei ergibt sich eine un  günstige divergente Strömung mit der Ge  fahr einer besonders grossen schädlichen Tot  wasserbildung.  



  Die Erfindung ist in der Zeichnung in  zwei Ausführungsbeispielen dargestellt :  Fig. 1 zeigt einen Axialschnitt durch die  beiden     Laufradstufen    einer Turbine mit im  Bereich der ersten Stufe kugeligem und im  Bereich der zweiten Stufe zylindrischem  Mantel.  



  Fig. 2 zeigt einen Zylinderschnitt der     Be-          schaufelung    hierzu.  



       Fig.    3 zeigt ein weiteres Beispiel mit im  Bereich der zweiten Stufe kegelförmig erwei  tertem Mantel.  



  In den     Fig.    1 und 2 ist die Turbinenachse       mit    1 bezeichnet, die Schaufeln der ersten  Stufe, welche als Hochdruckstufe     ausgebildet     ist, mit 2 und     die        Schaufeln    der zweiten  Stufe, der     Niederdruckstufe,    mit 3. Wie er  sichtlich, ist der Innendurchmesser der Schau  feln 2 der Hochdruckstufe bedeutend grösser  als der Innendurchmesser der Schaufeln 3  der     Niederdruckstufe,    während der Aussen  durchmesser der     Schaufeln    2 der Hochdruck  stufe nur .wenig grösser ist als der Aussen  durchmesser der     Schaufeln    der zweiten Stufe.

    Das     Verhältnis        Nabendurchm.esser/Aussen-          durchinesser    der     Beschaufelung    beträgt bei  der Hochdruckstufe mindestens 0,5 oder      auch mehr und ist mindestens 10% grösser  als das entsprechende Verhältnis der Nieder  druckstufe. Die Laufradummantelung liegt  im Bereich 4 der Hochdruckstufe auf einer  Kugelfläche. Auch der äussere Umfang der  Schaufeln 2 der Hochdruckstufe liegt auf  einer Kugelfläche. Im Bereich 5 der Nieder  druckstufe dagegen ist die Ummantelung im  wesentlichen zylindrisch.

   Der Abstand 6 zwi  schen den beiden Stufen ist gerade so gross  gewählt, als es mit Rücksicht auf einen kon  tinuierlichen Übergang vom     Nabenbereich     der ersten Stufe zum Nabenbereich der zwei  ten Stufe erforderlich ist. Wie aus Fig. 2 er  sichtlich, sind die Schaufeln 2 der ersten  Stufe in Umfangsrichtung gegenüber den  Schaufeln 3 der zweiten Stufe um den Be  trag 7 in Umfangsrichtung versetzt. Die Pro  fillänge 8 der Schaufeln 2 ist grösser als die  Profillänge 9 der Schaufeln 3.  



  Die Fig. 3 zeigt einen Axialschnitt durch  die rechte Hälfte einer weiteren Ausführungs  form. Die um die Achsen 12 drehbaren  Schaufeln 2 der Hochdruckstufe sind an den  Ecken 13 und 14 nur wenig abgerundet und  im übrigen bis an die auf einer Kugelfläche  liegende Ummantelung 15 herangeführt. Die  um die Achsen 16 drehbaren Schaufeln 17  der zweiten Stufe dagegen haben stark ab  gerundete Ecken 18 und 19 und sind be  deutend kürzer, als es der radialen Abmes  sung des Strömungskanals entsprechen  würde. Die Abrundungsradien an den Schau  feln 17 sind doppelt so gross wie diejenigen  an den Schaufeln 2. Der Spalt 10 nimmt  von oben nach unten zu, was durch die       kegelige    Ausbildung der Ummantelung im  Bereich 11 der zweiten Stufe noch unter  stützt wird.  



  Die erste Stufe wird bei beiden Beispielen  als Hochdruckstufe ausgelegt, indem sie etwa  2/3 bis 3/4 des gesamten Gefälles zu ver  arbeiten hat,     während    der Rest des Gefälles  von der zweiten Stufe, von der Niederdruck  stufe, verarbeitet wird. Das Verhältnis Na  bendurchmesser/Aussendurchmesser der     Be-          schaufelung    beträgt auch beim zweiten Bei  spiel beim     Hochdruck-Laufrad    mindestens    0,5 oder mehr.

   Die Hochdruckstufe      wird     hierbei so belastet, dass sie über den ganzen  Regelbereich nahezu     kavitationsfrei    arbeitet,       während    die zweite Stufe mit dem von ihr  verarbeiteten     Restgefälle    den für die erste  Stufe erforderlichen Gegendruck ergibt, ohne  dass ein     Saugrohr    mit besonders grosser Saug  höhe zur Ausführung kommen     .nüsste.     



  Der     Durchflussquerschnitt    der zweiten  Stufe     wird        grösser    gewählt als der Durch  flussquerschnitt der ersten Stufe. Dies wird  dadurch erreicht, dass die zweite Stufe  gegenüber der ersten bei gleichem oder nur  wenig kleinerem Aussendurchmesser der     Be-          schaufelung    einen wesentlich kleineren In  nendurchmesser erhält.

   Das     Nabenverhält-          nis    der Hochdruckstufe wird auch beim  zweiten Beispiel mindestens     10 /,    grösser als  das     Nabenverhältnis    der     Niederdruckstufe.     Die gesamte zweistufige Turbine ist demnach  keine rein axial durchströmte Turbine, son  dern eine     Konusturbine.     



  Für die zweistufigen     Kaplanturbinen    sind  die Spaltverluste dem hohen Druck ent  sprechend ebenfalls besonders hoch. Um  diesem Nachteil abzuhelfen, werden die  Flügel der ersten hochbelasteten Stufe, wie  bei     Kaplanturbinen    an sich bekannt, an  ihrem äusseren Umfang und die Ummante  lung des Laufrades im Bereich der ersten  Stufe nach einer Kugelfläche ausgebildet,  derart, dass die Schaufeln der ersten Stufe  von der Eintrittskante bis zur Austritts  kante in allen Schaufelstellungen einen  gleichbleibenden kleinen Spalt bilden.  



  An sich könnten auch die Schaufeln der  zweiten Stufe und entsprechend deren Um  mantelung aussen kugelig ausgebildet werden.  Doch empfiehlt es sich, die Ausführung so  zu wählen, dass im Bereich der zweiten Stufe  zwischen dem äusseren Rand der Schaufeln  und der Ummantelung ein beträchtlicher  Spalt verbleibt. Die radiale Breite des Spaltes  kann bis zu etwa     20 /o    der gesamten Breite  des ringförmigen     Strömungskanals    betragen.  Für grössere Fallhöhen wird der Spalt der  zweiten Stufe zwar kleiner ausgeführt, doch  soll die Spaltbreite auch hierbei von anderer      Grössenordnung sein als die Spaltbreite der  ersten Stufe.  



  Die Vergrösserung des Laufradspaltes im  Bereich der Schaufeln der zweiten Stufe  kann dadurch erzielt werden, dass im Bereich  dieser Stufe die Ummantelung zylindrisch  oder leicht     kegelig    und die Flügel mit stark  abgerundeten Enden ausgebildet werden.  Durch die starke Abrundung der Ecken und  durch die kegelförmige Erweiterung der Um  mantelung im Bereich der zweiten Stufe mit  verkürzten     Schaufeln    werden besondere Vor  teile erreicht.  



  Die Schaufeln der zweiten Stufe werden  dabei so ausgebildet, dass ihre radiale Länge  von einem grösseren Wert im Eintrittsbereich  allmählich auf einen kleineren Wert im Aus  trittsbereich abnimmt, etwa derart, dass die  Aussenkanten der Schaufeln, abgesehen von  den abgerundeten Ecken,     kegelig    von oben  nach unten zusammenlaufen.



  Two-stage Kaplan turbine. In your endeavor to be able to apply axially flowed water turbines (propeller and Kaplan turbines) for ever greater gradients, designs have already been proposed in which two impellers with fixed or adjustable blades directly, i.e. without the interposition of a diffuser are arranged one above the other.



  The invention is based on the object of designing a two-stage Kaplan turbine in such a way that it works with the highest possible degree of efficiency and the lowest possible cavitation. According to the invention, this is achieved in that the first stage is designed as a high-pressure impeller with a hub diameter / outer diameter of the blading ratio of at least 0.5 and the second stage is designed as a low-pressure impeller, which has a smaller inner diameter than the high-pressure impeller with at most the same outer diameter, with the ratios are chosen so that the hub ratio of the high pressure impeller is at least 10% greater than the hub ratio of the low pressure impeller.



  It has already been proposed that, in a two-stage Kaplan turbine, the flow cross-section of the second stage should be selected to be larger than the flow cross-section of the first stage. However, this is achieved there in that, with the hub diameter remaining the same, the outer diameter in the two stages, but at least in the second stage, increases steadily from the entry to the exit. This results in an unfavorable divergent flow with the risk of particularly large harmful dead water formation.



  The invention is shown in the drawing in two exemplary embodiments: FIG. 1 shows an axial section through the two impeller stages of a turbine with a shell that is spherical in the region of the first stage and cylindrical in the region of the second stage.



  2 shows a cylinder section of the blades for this purpose.



       Fig. 3 shows another example with a conical widened shell in the region of the second stage.



  1 and 2, the turbine axis is denoted by 1, the blades of the first stage, which is designed as a high pressure stage, with 2 and the blades of the second stage, the low pressure stage, with 3. As he can see, the inside diameter of the show Feln 2 of the high pressure stage significantly larger than the inner diameter of the blades 3 of the low pressure stage, while the outer diameter of the blades 2 of the high pressure stage is only slightly larger than the outer diameter of the blades of the second stage.

    The hub diameter / outer diameter ratio of the blading is at least 0.5 or more in the high pressure stage and at least 10% greater than the corresponding ratio in the low pressure stage. The impeller casing lies in area 4 of the high pressure stage on a spherical surface. The outer circumference of the blades 2 of the high pressure stage also lies on a spherical surface. In the area 5 of the low pressure stage, however, the casing is essentially cylindrical.

   The distance 6 between tween the two stages is chosen to be just as large as is necessary with a view to a continuous transition from the hub area of the first stage to the hub area of the second stage. As can be seen from Fig. 2, the blades 2 of the first stage are offset in the circumferential direction relative to the blades 3 of the second stage by the load 7 in the circumferential direction. The profile length 8 of the blades 2 is greater than the profile length 9 of the blades 3.



  3 shows an axial section through the right half of a further embodiment. The blades 2 of the high pressure stage, which are rotatable about the axes 12, are only slightly rounded at the corners 13 and 14 and are also brought up to the casing 15 lying on a spherical surface. The rotatable about the axes 16 blades 17 of the second stage, however, have strongly rounded corners 18 and 19 and be significantly shorter than it would correspond to the radial dimension of the flow channel. The rounding radii on the blades 17 are twice as large as those on the blades 2. The gap 10 increases from top to bottom, which is still supported by the conical design of the casing in the area 11 of the second stage.



  In both examples, the first stage is designed as a high-pressure stage in that it has to process about 2/3 to 3/4 of the entire gradient, while the rest of the gradient is processed by the second stage, the low-pressure stage. The ratio of the hub diameter to the outer diameter of the blades is also at least 0.5 or more in the second example of a high-pressure impeller.

   The high pressure stage is so loaded that it works almost cavitation-free over the entire control range, while the second stage with the residual gradient processed by it produces the counterpressure required for the first stage without a suction pipe with a particularly high suction head having to be implemented .



  The flow cross-section of the second stage is selected to be larger than the flow cross-section of the first stage. This is achieved in that the second stage has a significantly smaller internal diameter compared to the first with the same or only slightly smaller external diameter of the blades.

   The hub ratio of the high pressure stage is also at least 10 /, greater than the hub ratio of the low pressure stage in the second example. The entire two-stage turbine is therefore not a purely axial flow turbine, but a cone turbine.



  For the two-stage Kaplan turbines, the gap losses are also particularly high, corresponding to the high pressure. To remedy this disadvantage, the blades of the first highly loaded stage, as known per se in Kaplan turbines, are formed on their outer circumference and the casing of the impeller in the area of the first stage after a spherical surface, so that the blades of the first stage of the Form a constant small gap in all blade positions from the leading edge to the trailing edge.



  In principle, the blades of the second stage and, accordingly, their sheathing could also be designed spherically on the outside. However, it is advisable to choose the design in such a way that a considerable gap remains between the outer edge of the blades and the casing in the area of the second stage. The radial width of the gap can be up to about 20 / o of the total width of the annular flow channel. For greater heights of fall, the gap of the second stage is made smaller, but the gap width should also be of a different order of magnitude than the gap width of the first stage.



  The enlargement of the impeller gap in the area of the blades of the second stage can be achieved by making the casing cylindrical or slightly conical and the blades with strongly rounded ends in the area of this stage. Due to the strong rounding of the corners and the conical extension of the casing in the area of the second stage with shortened blades, particular advantages are achieved.



  The blades of the second stage are designed in such a way that their radial length gradually decreases from a greater value in the inlet area to a smaller value in the outlet area, such that the outer edges of the blades, apart from the rounded corners, are conical from top to bottom converge.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Zweistufige Kaplanturbine mit zwei unmittelbar hintereinander angeordneten Schaufelkränzen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe als Hochdrucklaufrad mit einem Verhältnis NabendurehmesserlAussen- durchmesser der Beschaufelung mindestens 0,5 und die zweite Stufe als Niederdrucklauf- rad ausgebildet ist, welches bei höchstens gleichem Aussendurchmesser einen kleineren Innendurchmesser als das Hochdrucklaufrad aufweist, wobei die Verhältnisse so gewählt sind, dass das Nabenverhältnis des Hoch drucklaufrades mindestens 10% grösser ist als das Nabenverhältnis des Niederdruck laufrades. UNTERANSPRÜCHE: 1. PATENT CLAIM: Two-stage Kaplan turbine with two blade rings arranged directly one behind the other, characterized in that the first stage is designed as a high-pressure impeller with a ratio of hub diameter to outer diameter of the blades of at least 0.5 and the second stage is designed as a low-pressure impeller, which is smaller with at most the same outer diameter Having inner diameter than the high pressure impeller, the ratios being chosen so that the hub ratio of the high pressure impeller is at least 10% greater than the hub ratio of the low pressure impeller. SUBCLAIMS: 1. Zweistufige Kaplanturbine nach Pa tentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe für etwa 2/3 bis 3/4 des gesamten Gefälles und die zweite Stufe für den Rest des Gefälles ausgelegt ist. 2. Zweistufige Kaplanturbine nach Pa tentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchflussquer schnitt der zweiten Stufe grösser ist als der Durchflussquerschnitt der ersten Stufe. 3. Zweistufige Kaplanturbine nach Pa tentanspruch und Unteransprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Profillänge der Schaufeln der zweiten Stufe kleiner ist als die Profillänge der Schaufeln der ersten Stufe. 4. Two-stage Kaplan turbine according to patent claim, characterized in that the first stage is designed for about 2/3 to 3/4 of the entire slope and the second stage for the rest of the slope. 2. Two-stage Kaplan turbine according to Pa tentan claim and dependent claim 1, characterized in that the flow cross section of the second stage is greater than the flow cross section of the first stage. 3. Two-stage Kaplan turbine according to Pa tentans claims and dependent claims 1 and 2, characterized in that the profile length of the blades of the second stage is smaller than the profile length of the blades of the first stage. 4th Zweistufige Kaplanturbine nach Pa tentanspruch und Unteransprüchen 1-3, da durch gekennzeichnet, dass der äussere Um fang der Schaufeln der ersten Laufradstufe und die Ummantelung in diesem Bereich auf Kugelflächen liegen. 5. Zweistufige Kaplanturbine nach Unter anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abrundungsradien an den Schaufeln der zweiten Laufradstufe wenigstens doppelt so gross sind wie diejenigen an den Schaufeln des ersten Schaufelkranzes. Two-stage Kaplan turbine according to patent claims and dependent claims 1-3, characterized in that the outer circumference of the blades of the first impeller stage and the casing lie on spherical surfaces in this area. 5. Two-stage Kaplan turbine according to sub-claim 4, characterized in that the rounding radii on the blades of the second impeller stage are at least twice as large as those on the blades of the first blade ring.
CH310937D 1951-04-12 1952-04-05 Two-stage Kaplan turbine. CH310937A (en)

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CH310937D CH310937A (en) 1951-04-12 1952-04-05 Two-stage Kaplan turbine.

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4784569A (en) * 1986-01-10 1988-11-15 General Electric Company Shroud means for turbine rotor blade tip clearance control

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4784569A (en) * 1986-01-10 1988-11-15 General Electric Company Shroud means for turbine rotor blade tip clearance control

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