CH648095A5

CH648095A5 - Multi-stage pump turbine

Info

Publication number: CH648095A5
Application number: CH5229/79A
Authority: CH
Inventors: Kichinosuke Uesaka; Kunio Ogura; Kentaro Ichikawa
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co
Priority date: 1978-06-05
Filing date: 1979-06-05
Publication date: 1985-02-28
Also published as: DE2922254C2; DE2922254A1

Description

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Pumpenturbine mit einer Welle und mehreren mit dieser verbundenen Läufern mit feststehenden, die Welle und die Läufer umgebenden Gehäusegliedern, die einen Kanal mit einem daran anschlies- so senden Kanalstück bilden, das zwischen dem Läufer der Stufe höchsten Druckes und einem Spiralgehäuse verläuft und dabei einem Leitschaufelkranz durchsetzt, welche Gehäuseglieder ein Abschlussglied enthalten, das mit dem Leitschaufelkranz verbunden ist und zusammen mit dem ihm nächstge- ss legenen der Gehäuseglieder das Kanalstück umgibt, welche Gehäuseglieder innere und äussere Gehäuseglieder aufweisen, die jeweils entlang eines zylindrischen Grenzflächenabschnittes aneinander anliegen, wobei die inneren Gehäuseglieder die Welle und die Läufer umgeben und das dem Leit- 60 schaufelkranz nächstgelegene Gehäuseglied enthalten, die äusseren Gehäuseglieder axial benachbart zum Leitschaufelkranz angeordnet sind und wobei der Kanal gemäss den inneren und äusseren Gehäusegliedern in innere und äussere Kanalabschnitte geteilt ist. Solche Pumpenturbinen werden es beispielsweise in Wasserkraftwerken verwendet. The invention relates to a multi-stage pump turbine with a shaft and a plurality of rotors connected to it, with fixed housing members surrounding the shaft and the rotor, which form a channel with a channel piece adjoining it, which is between the rotor of the highest pressure stage and a spiral housing extends and passes through a guide vane ring, which housing members contain a terminating member which is connected to the guide vane ring and, together with the closest of the housing members, surrounds the channel piece, which housing members have inner and outer housing members, each of which abuts one another along a cylindrical interface section , wherein the inner housing members surround the shaft and the rotor and contain the housing member closest to the guide vane ring, the outer housing members are arranged axially adjacent to the guide vane ring and the channel according to the inner and outer G is divided into inner and outer channel sections. Such pump turbines are used, for example, in hydropower plants.

Beim Auslegen von Wasserkraftanlagen werden je länger je mehr höhere Fallhöhen benötigt, wobei aus Gründen des When designing hydropower plants the longer the higher head heights are needed, whereby for reasons of

Wirkungsgrades und der Herstellungskosten je länger je mehr mehrstufige Pumpenturbinen eingesetzt werden, weil einstufige Maschinen diesbezüglich ihre Grenzen erreicht haben. Eine solche mehrstufige Pumpenturbine ist beispielsweise in der Fig. 1 dargestellt. In der Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 1 die Turbinenwelle; 2,2a bezeichnen einen Läufer, der mit der Welle verbunden ist; 3 bezeichnet ein Spiralgehäuse; 4 (feste) Leitschaufeln; 5 bezeichnet ein äusseres Rückführgehäuse; 6 bezeichnet Rückführschaufeln (Nachlei-tapparat), die den Rückführkanal bilden und für turbulenzfreie Wasserströmung sorgen; 7 bezeichnet ein oberes Abschlussglied; 8 bezeichnet einen mit Leitschaufeln ausgerüsteten Leitschaufelkranz; 9 bezeichnet einen Bolzen, der das obere Abschlussglied hält. Bei einer solchen mehrstufigen Pumpenturbine ist der Turbinenwirkungsgrad im Bereich kleiner Turbinenleistung äusserst klein, wie dies in der Fig. 2 mit der Kurve a bezeichnet ist. Es ist bekannt, dass zum Erzielen eines Betriebes mit hohem Wirkungsgrad in einem weiten Leistungsbereich verstellbare Leitschaufeln in einem Strömungskanal angeordnet sein können, der vom Gehäuse 3 bis zu mindestens dem Läufer 2 der Stufe höchsten Druckes verläuft. Dieser Rückführkanal weist ein inneres Umlenkgehäuse 19 auf, in welchem die Rückführschaufeln 6 von unten eingefügt sind, und das obere Abschlussglied 7 ist mit dem Leitschaufelkranz 8 verbunden. Falls verstellbare Leitschaufeln angeordnet sind, muss in bezug auf die Leitschaufeln ein Spielraum vorhanden sein, so dass die Leitschaufeln gedreht werden können. Dieses schliesst eine Verbindung des Abschlussgliedes 7 mit dem Leitschaufelkranz 8 aus. Efficiency and manufacturing costs the longer the more multi-stage pump turbines are used, because single-stage machines have reached their limits in this regard. Such a multi-stage pump turbine is shown for example in FIG. 1. In Fig. 1, reference numeral 1 denotes the turbine shaft; 2,2a denote a rotor connected to the shaft; 3 denotes a volute casing; 4 (fixed) guide vanes; 5 denotes an outer return housing; 6 denotes return vanes (guide apparatus) which form the return channel and ensure turbulence-free water flow; 7 denotes an upper terminator; 8 denotes a guide vane ring equipped with guide vanes; 9 denotes a bolt that holds the upper end member. In the case of such a multi-stage pump turbine, the turbine efficiency is extremely small in the region of low turbine output, as is indicated by curve a in FIG. 2. It is known that, in order to achieve high-efficiency operation, guide vanes which can be adjusted over a wide performance range can be arranged in a flow channel which extends from the housing 3 to at least the rotor 2 of the highest pressure stage. This return duct has an inner deflection housing 19, in which the return blades 6 are inserted from below, and the upper end member 7 is connected to the guide blade ring 8. If adjustable guide vanes are arranged, there must be clearance with respect to the guide vanes so that the guide vanes can be rotated. This precludes a connection of the end member 7 to the guide vane ring 8.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine mehrstufige Pumpenturbine zu schaffen, die eine Ausbildung aufweist, dass diese in einem weiten Betriebsbereich mit hohem Wirkungsgrad betrieben werden kann, welcher Betriebsbereich sich von einem Bereich kleiner Leistung bis zu einem Bereich hoher Leistung erstreckt. It is therefore an object of the invention to provide a multi-stage pump turbine which is designed so that it can be operated with high efficiency in a wide operating range, which operating range extends from a range of low power to a range of high power.

Erfindungsgemäss ist die mehrstufige Pumpenturbine durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gekennzeichnet. According to the multi-stage pump turbine is characterized by the features of claim 1.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the drawings, for example. Show it:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine mehrstufige Pumpenturbine, die gemäss dem Stand der Technik ausgebildet ist, 1 shows a section through a multi-stage pump turbine which is designed according to the prior art,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Unterschied des Wirkungsgrades zwischen einer herkömmlichen, mehrstufigen Pumpenturbine und einer mehrstufigen Pumpenturbine gezeigt ist, die gemäss dem Erfindungsgedanken ausgebildet ist, 2 shows a diagram in which the difference in efficiency between a conventional, multi-stage pump turbine and a multi-stage pump turbine is shown, which is designed according to the inventive concept,

Fig. 3 einen Schnitt, in dem ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen, mehrstufigen Pumpenturbine gezeigt ist, 3 shows a section in which an embodiment of the multi-stage pump turbine according to the invention is shown,

Fig. 4 einen Schnitt durch den wichtigsten Teil der Pumpenturbine, in welchem eine Ausbildungsform der Verbindungsmittel dargestellt ist, 4 shows a section through the most important part of the pump turbine, in which an embodiment of the connecting means is shown,

Fig. 5 einen Schnitt, in dem ein wichtiger Teil einer Ausführung der erfindungsgemässen, mehrstufigen Pumpenturbine gezeigt ist, wobei in einem Fluidkanal, in welchem Leitschaufeln angeordnet sind, eine Tragschaufel vorhanden ist, und 5 shows a section in which an important part of an embodiment of the multi-stage pump turbine according to the invention is shown, a carrier blade being present in a fluid channel in which guide vanes are arranged, and

Fig. 6 einen Schnitt, in dem ein wichtiger Teil der mehrstufigen Pumpenturbine gezeigt ist, der eine andere Ausbildungsform einer Tragschaufel aufweist. Fig. 6 is a section in which an important part of the multi-stage pump turbine is shown, which has a different embodiment of a carrier blade.

In der Fig. 3 ist eine dreistufige Pumpenturbine gezeigt. In der Fig. 3 sind für Teile oder Elemente, die gleich denjenigen der Fig. 1 sind, weitgehend die gleichen Bezugsziffern verwendet, und aus Gründen der Kürze wird eine weitere Erklärung derselben weggelassen. In der Fig. 3 ist zwischen einem oberen Abschlussglied 10 und dem ihm nächstgelegenen 3 shows a three-stage pump turbine. In Fig. 3, the same reference numerals are largely used for parts or elements which are the same as those in Fig. 1, and further explanation thereof is omitted for brevity. In Fig. 3 is between an upper end member 10 and the one closest to it

Gehäuseglied 11 ein Kanalstück 12 gebildet. Das obere Abschlussglied 10 ist mittels eines Bolzens 9 mit einem Leitschaufelkranz 8 verbunden, und das Gehäuseglied 11 ist innerhalb des Leitschaufelkranzes 8 und eines äusseren Rückführgehäuses 5 angeordnet. Das Gehäuseglied 11 kann mittels eines Bolzens 13 mit dem Leitschaufelkranz 8 verbunden sein, wie dies in der Fig. 4 gezeigt ist, und dieses bei einem Abschnitt des Strömungskanales, in welchem die verstellbaren Leitschaufeln angeordnet sind, die nachfolgend noch beschrieben sein werden. Der Bolzen 13 weist vorteilhaft einen sechseckigen Kopf auf, der mit der Seitenwand des den Fluidkanal bildenden Kanalstückes 12 fluchtet, so dass beim Bolzen kaum eine Kavitation auftritt, welche eine Verminderung des hydraulischen Wirkungsgrades der Pumpenturbine zur Folge hätte. Die oben erwähnten, verstellbaren Leitschaufeln 14 sind im Kanalstück 12 angeordnet, und werden mittels einer Welle rotiert, die in einer Lagerhülse 15 gelagert ist und im Abschlussglied 10 und im darunter gelegenen Gehäuseglied 11 gelagert ist. Das Kanalstück 12 verläuft vom Spiralgehäuse 3 durch den Leitschaufelkranz 8 mit den festen Leitschaufeln 4 zum Läufer 2 der Stufe höchsten Druckes. Die Welle ist mittels einer Dichtung 16 abgedichtet. In bezug auf die Leitschaufeln 14 ist ein Spielraum 17 vorhanden, so, dass die Leitschaufeln 14 mittels einer nicht gezeigten Antriebsvorrichtung gedreht werden können. Zwischen den Leitschaufeln 14 und dem Leitschaufelkranz 8 ist eine Tragschaufel 18 angeordnet (die im Einzelnen in der Fig. 5 gezeigt ist). In bezug auf den Leitschaufelkranz 8 weist die Tragschaufel 18 eine solche Ausbildung auf, dass zwischen diesen eine gleichförmige Strömung vorherrscht. Die Tragschaufel 18 ist einstückig mit dem Abschlussglied 10 ausgebildet. Die Tragschaufel 18 kann auch getrennt ausgebildet Housing member 11 formed a channel piece 12. The upper end member 10 is connected to a guide vane ring 8 by means of a bolt 9, and the housing member 11 is arranged within the guide vane ring 8 and an outer return housing 5. The housing member 11 can be connected to the guide vane ring 8 by means of a bolt 13, as shown in FIG. 4, and this at a section of the flow channel in which the adjustable guide vanes are arranged, which will be described below. The bolt 13 advantageously has a hexagonal head which is aligned with the side wall of the channel piece 12 which forms the fluid channel, so that hardly any cavitation occurs in the bolt, which would result in a reduction in the hydraulic efficiency of the pump turbine. The above-mentioned adjustable guide vanes 14 are arranged in the channel piece 12 and are rotated by means of a shaft which is mounted in a bearing sleeve 15 and is mounted in the end member 10 and in the housing member 11 located thereunder. The channel section 12 runs from the spiral housing 3 through the guide vane ring 8 with the fixed guide vanes 4 to the rotor 2 of the highest pressure stage. The shaft is sealed by means of a seal 16. There is a clearance 17 with respect to the guide vanes 14, so that the guide vanes 14 can be rotated by means of a drive device, not shown. A supporting blade 18 (which is shown in detail in FIG. 5) is arranged between the guide blades 14 and the guide blade ring 8. With respect to the guide vane ring 8, the support vane 18 has such a configuration that a uniform flow prevails between them. The support blade 18 is formed in one piece with the end member 10. The carrying blade 18 can also be formed separately

3 648 095 3,648,095

sein, wie dies in der Fig. 6 gezeigt ist, wobei die obere Seitenfläche am Abschlussglied 10 anliegt und ihre untere Seitenfläche am Gehäuseglied 11 anliegt. 6, as shown in FIG. 6, the upper side surface abutting the end member 10 and its lower side surface abutting the housing member 11.

In der oben beschriebenen, dreistufigen Pumpenturbine s sind die verstellbaren Leitschaufeln 14 und der Leitschaufelkranz 8 bei der Stufe höchsten Druckes vorhanden. In the three-stage pump turbine s described above, the adjustable guide vanes 14 and the guide vane ring 8 are present at the highest pressure stage.

Die beschriebene mehrstufige Pumpenturbine weist sogar im Bereich kleiner Turbinenleistung einen höheren Turbinenwirkungsgrad auf, wie dies durch die Kurve (b) in Fig. 2 io gezeigt ist, dies im Vergleich (siehe Kurve a der Fig. 2) mit einer herkömmlichen, mehrstufigen Pumpenturbine, die keine verstellbaren Leitschaufeln aufweist. Daher kann die Pumpenturbine innerhalb eines breiteren Betriebsbereiches mit einem höheren Turbinenwirkungsgrad betrieben werden. 15 Zwischen dem Abschlussglied 10 und dem Gehäuseglied 11 ist die Tragschaufel 18 derart angeordnet, dass die Höhe derselben gleich der Höhe der verstellbaren Leitschaufeln 14 zuzüglich eines Spielraumes ist, der notwendig ist, dass die Leitschaufeln im Strömungskanal, d.h. Kanalstück 12 20 gedreht werden können. So können die verstellbaren Leitschaufeln einfach im Strömungskanal angeordnet werden, der zwischen dem oberen Abschlussglied 10 und dem unteren Gehäuseglied 11 begrenzt ist. The multi-stage pump turbine described has a higher turbine efficiency even in the area of low turbine power, as shown by curve (b) in FIG. 2oo, this in comparison (see curve a in FIG. 2) with a conventional, multi-stage pump turbine, which has no adjustable guide vanes. Therefore, the pump turbine can be operated with a higher turbine efficiency within a wider operating range. 15 Between the end member 10 and the housing member 11, the support blade 18 is arranged such that the height thereof is equal to the height of the adjustable guide blades 14 plus a margin that is necessary that the guide blades in the flow channel, i.e. Channel piece 12 20 can be rotated. The adjustable guide vanes can thus be easily arranged in the flow channel, which is delimited between the upper end member 10 and the lower housing member 11.

Weil der Spielraum für die Leitschaufeln immer vor-2s handen sein kann, ist das Herstellen und Zusammenbauen der mehrstufigen Pumpenturbine vereinfacht und das Verstellen der Leitschaufel kann ebenfalls sehr leicht erfolgen. Because the clearance for the guide vanes can always be provided before 2s, the manufacture and assembly of the multi-stage pump turbine is simplified and the adjustment of the guide vane can also be carried out very easily.

Obwohl die Erfindung in Verbindung mit einer dreistufigen Pumpenturbine beschrieben worden ist, kann sie auch 30 auf eine zweistufige oder vierstufige Pumpenturbine oder auch auf Pumpenturbinen mit mehr Stufen angewendet werden. Although the invention has been described in connection with a three-stage pump turbine, it can also be applied to a two-stage or four-stage pump turbine or also to pump turbines with more stages.

B B

5 Blatt Zeichnungen 5 sheets of drawings

Claims

648 095 PATENT CLAIMS

1. Multi-stage pump turbine with a shaft (1) and a plurality of rotors (2, 2a, 2b) connected thereto, with fixed housing members (10, 11, A1) surrounding the shaft (1) and the rotors (2, 2a, 2b) , A2), which form a channel s (C) with an adjoining channel piece (12), which runs between the rotor (2) of the highest pressure stage and a spiral housing and thereby passes through a guide vane ring (8), which housing members (10, 11, Al, A2) contain a terminating member (10) which is connected to the guide vane ring (8) and together with the one closest to it (11) of the housing members (10, 11, Al, A2) the duct piece (12) surrounds which housing members (10, 11, AI, A2) have inner (AI) and outer housing members (A2), each of which abuts each other along a cylindrical interface section, the inner housing members (AI;) supporting the shaft (1) and surround the rotor (2, 2a, 2b) and the housing member (11) closest to the guide vane ring (8) hold, the outer casing members (A2) are arranged axially adjacent to the guide vane ring (8) and 20 whereby the duct (C) is divided into inner (Ci) and outer duct sections (C2) according to the inner (AI) and outer casing members (A2) , characterized in that the housing member (11) closest to the guide vane ring (8) by means of a connecting device (13; 18) is connected to the same 25 in such a way that the inner housing members (AI) are locked relative to the outer housing members (A2), which connecting device is arranged in the region of the duct piece (12), and that adjustable guide vanes (14 ) are arranged. 30th

2. Pump turbine according to claim 1, characterized in that the connecting device has a bolt (13) connecting the guide vane ring (8) with the housing member (11) closest to it. (Fig. 4)

3. Pump turbine according to claim 1, characterized in that the connecting device has a supporting blade (18) arranged in the channel piece (12) between the adjustable guide blades (14) and the guide blade ring (8), the height of which is dimensioned such that it is equal to the height of the adjustable guide vanes (14) plus a margin that is necessary to allow the guide vanes (14) to rotate in the duct section (12). (Fig. 5,6).