CH659686A5

CH659686A5 - CONTROL UNIT FOR A HYDRAULIC TURBO MACHINE.

Info

Publication number: CH659686A5
Application number: CH7535/82A
Authority: CH
Inventors: Noel Meystre
Original assignee: Escher Wyss Ag
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1987-02-13
Also published as: DE3345234A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Leitapparat für eine hydraulische Turbomaschine mit mehreren, ein Profil aufweisenden Leitschaufeln. Solche Leitapparate sind beispielsweise in CH 433 150 beschrieben. The invention relates to a guide apparatus for a hydraulic turbomachine with a plurality of guide blades having a profile. Such control devices are described, for example, in CH 433 150.

Für viele hydraulische Turbomaschinen sind Leitapparate mit verstellbaren Leitschaufeln erforderlich oder erwünscht. Beispielsweise bezwecken die Leitschaufeln einer Wasserturbine die Einstellung des Wasserstromes genau nach der augenblicklich erforderlichen Turbinenleistung. Das Leitrad dient auch vorübergehend als Absperrorgan. Bei Pumpturbinen mit verstellbarem Leitapparat dient dieser zudem als Drosselorgan während bestimmter Betriebsphasen. Guide devices with adjustable guide vanes are required or desired for many hydraulic turbomachines. For example, the guide vanes of a water turbine have the purpose of adjusting the water flow exactly according to the turbine power that is currently required. The guide wheel also serves temporarily as a shut-off device. In the case of pump turbines with an adjustable diffuser, this also serves as a throttle element during certain operating phases.

Die Leitschaufeln müssen dabei eine Reihe von Bedingungen erfüllen. Sie müssen derart steif sein, dass unter der Wirkung der Strömungskräfte keine störenden Schwingungen entstehen. Die Form der Leitschaufeln soll so gewählt werden, dass die Strömung zum Laufrad der Turbomaschine von den Leitschaufeln günstig beeinflusst wird. Die Leitschaufeln müssen zudem in der Schliesslage, d.h. unter der vollen Wasserlast, gut abdichten und deshalb eine kontrollierte, beschränkte Durchbiegung und Torsion aufweisen. Die Verstellung der Leitapparatöffnung soll kontinuierlich und stabil verändert werden können. Diese Bedingungen werden bei vorbekannten Leitapparaten durch Leitschaufeln erfüllt, die ein strömungsgünstiges, jedoch relativ dickes und volles Profil aufweisen. Bei grossen Turbomaschinen mit Durchmessern 5 von mehreren Metern werden solche Leitschaufeln ausserordentlich schwer. The guide vanes must meet a number of conditions. They must be so stiff that no disturbing vibrations arise under the action of the flow forces. The shape of the guide vanes should be chosen so that the flow to the impeller of the turbomachine is favorably influenced by the guide vanes. The guide vanes must also be in the closed position, i.e. under full water load, seal well and therefore have controlled, limited deflection and torsion. The adjustment of the nozzle opening should be able to be changed continuously and stably. In the case of known guide devices, these conditions are met by guide vanes which have a streamlined but relatively thick and full profile. In the case of large turbomachines with a diameter of 5 meters, such guide vanes are extremely difficult.

Durch den grossen Querschnitt der Leitschaufeln werden zudem die Strömungsverhältnisse ungünstig beeinflusst. Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile io des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere einen Leitapparat für hydraulische Turbomaschinen zu schaffen, dessen Leitschaufeln bei geringem Materialaufwand einerseits einen geringen Strömungswiderstand sowie andererseits eine erhöhte Biege- und Torosionssteifigkeit aufwei-15 sen. Ausserdem sollen sie eine kontinuierliche, stabile Wasserstromregelung in jeder Leitradstellung und sowohl im Turbinen- als auch im Pumpbetrieb gestatten. The large cross-section of the guide vanes also adversely affects the flow conditions. The object of the invention is to eliminate the disadvantages mentioned in the prior art and, in particular, to provide a guide apparatus for hydraulic turbomachinery, the guide vanes of which, on the one hand, have low flow resistance and, on the other hand, have a low flow resistance and increased bending and torsional rigidity. In addition, they should allow continuous, stable water flow control in every stator position and in both turbine and pump mode.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln durch ein Fachwerk versteift sind, das aus fla-20 chen, überwiegend in Richtung der Leitschaufelprofilachse gestellten Elementen besteht. The invention is characterized in that the guide blades are stiffened by a framework consisting of fla-20 elements, predominantly placed in the direction of the guide blade profile axis.

Bedingt durch diese Versteifung können die Leitschaufelblätter wesentlich dünner gewählt werden, was eine beträchtliche Reduktion des Materialaufwands mit sich bringt, und 25 da die Fachwerkelemente sämtlich angenähert parallel zur Strömung gestellt sind, steht für die Strömung ein grösserer freier Querschnitt zur Verfügung, als er mit den üblichen Vollprofilen der Leitschaufeln zu erreichen ist. Die versteifenden Elemente liegen so, dass die Strömung durch sie nur 3o wenig beeinflusst wird und durch die Verstellung der Leitapparatöffnung kontinuierlich und stabil verändert werden kann. As a result of this stiffening, the guide vane blades can be chosen to be considerably thinner, which results in a considerable reduction in the cost of material, and since the framework elements are all approximately parallel to the flow, the flow has a larger free cross-section than that with the usual full profiles of the guide vanes can be achieved. The stiffening elements are such that the flow is only slightly influenced by them and can be changed continuously and stably by adjusting the diffuser opening.

Die Erfindung sowie zweckmässige Weiterbildungen derselben, werden anhand der in den Figuren dargestellten Aus-35 führungsbeispiele erläutert. The invention and expedient further developments of the same are explained with reference to the exemplary embodiments shown in the figures.

Figur 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Leitschaufel in perspektivischer Ansicht. Figure 1 shows a first example of a guide vane in a perspective view.

Figur 2 zeigt die Leitschaufel nach Figur 1 in axialer Ansicht. Figure 2 shows the guide vane of Figure 1 in an axial view.

40 Figur 3 zeigt ein zweites Beispiel einer Leitschaufel in perspektivischer Ansicht. FIG. 3 shows a second example of a guide vane in a perspective view.

Figur 4 zeigt die Leitschaufeln nach Figur 3 in axialer Ansicht. Figure 4 shows the guide vanes of Figure 3 in an axial view.

Figur 5 zeigt ein Beispiel einer Leitschaufel mit gelochter 45 Stützrippe im Schnitt. Figure 5 shows an example of a guide vane with perforated support rib 45 in section.

Figur 6 zeigt ein Beispiel einer Leitschaufel mit zwei Stützstegen im Schnitt. Figure 6 shows an example of a guide vane with two support webs in section.

Figur 7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Leitschaufel im Schnitt. Figure 7 shows another example of a guide vane in section.

so Figur 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Fachwerks im Axialschnitt. so Figure 8 shows another example of a truss in axial section.

Figur 9 zeigt ein Fachwerk mit Dreieck-Profilen im Axialschnitt. Figure 9 shows a truss with triangular profiles in axial section.

Figuren 1 und 2 zeigen eine Leitschaufel eines Leitappa-55 rates für eine hydraulische Turbomaschine, die mittels Lagerzapfen 1 und 2 mit tellerartigen Erweiterungen 3 und 4 in einem Ringgehäuse drehbar gelagert ist. Die Leitschaufel besteht aus einem Schaufelkörper 5 mit relativ schmalem Profil 6, auf den auf der Druckseite eine Fachwerk-Stützkon-6o struktion 7 zur Versteifung aufgesetzt ist. Diese besteht aus in Profilrichtung S gestellten flachen Elementen, nämlich einem bandförmigen Element 8, welches zwischen den tellerartigen Erweiterungen 3 und 4 angeordnet ist und durch zwei Stützelemente 9 und 10 in einer gewissen Distanz h vom Schaufel-65 körper 5 gehalten wird. Die Distanz h sollte grösser als lA der Länge L des Profils 6 sein, zweckmässigerweise grösser als Vu der Profillänge L. Die Breite b des bandförmigen Elementes 8 kann über die ganze Länge zwischen den tellerförmigen Figures 1 and 2 show a guide vane of a Leitappa-55 rate for a hydraulic turbomachine, which is rotatably mounted in a ring housing by means of bearing pins 1 and 2 with plate-like extensions 3 and 4. The guide vane consists of a blade body 5 with a relatively narrow profile 6, on which on the pressure side a truss support structure 6o 7 is placed for stiffening. This consists of flat elements in profile direction S, namely a band-shaped element 8, which is arranged between the plate-like extensions 3 and 4 and is held by two support elements 9 and 10 at a certain distance h from the blade body 5. The distance h should be greater than 1A of the length L of the profile 6, expediently greater than Vu of the profile length L. The width b of the band-shaped element 8 can be between the plate-shaped over the entire length

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Erweiterungen 3 und 4 konstant sein oder etwas variieren, z.B. in der Mitte grösser sein als an den Enden oder auf der Antriebsseite grösser sein als am anderen Zapfen. Zweckmässig ist es, wenn diese Breite b höchstens % der Profillänge L beträgt. Die Stützelemente 9 und 10 können rechteckig oder trapezförmig ausgebildet sein, d.h. der Trapezwinkel ß kann 90° oder weniger betragen. Ebenso kann der Neigungswinkel a, mit dem die Stützelemente 9 und 10 auf den Schaufelkörper 5 aufgesetzt sind, 90° betragen oder weniger. Extensions 3 and 4 are constant or vary slightly, e.g. be larger in the middle than at the ends or on the drive side than on the other pin. It is expedient if this width b is at most% of the profile length L. The support elements 9 and 10 can be rectangular or trapezoidal, i.e. the trapezoidal angle β can be 90 ° or less. Likewise, the angle of inclination a, with which the support elements 9 and 10 are placed on the blade body 5, can be 90 ° or less.

Figur 3 zeigt ein abgewandeltes Beispiel einer Leitschaufel, bei welcher zur Versteifung des bandförmigen Elementes 8 nur ein einziges Stützelement 11 vorgesehen ist, das eine rechteckige Form besitzt und senkrecht auf dem Schaufelkörper 5 aufsitzt. FIG. 3 shows a modified example of a guide vane, in which only a single support element 11 is provided for stiffening the band-shaped element 8, which has a rectangular shape and sits vertically on the vane body 5.

Figur 4 zeigt eine Weiterbildung einer Leitschaufel, bei welcher im Unterschied zu Figur 2 die Lagerzapfen 1 jedoch so angeordnet sind, dass die Drehachse A ausserhalb des Profils 6 liegt, jedoch innerhalb des durch das bandförmige Element 8 und den Schaufelkörper 5 gebildeten Fachwerkprofils. Die Höhe der Fachwerks h beträgt bei diesem Beispiel mindestens lA der Länge L des Schaufelkörpers 5. Eine derart gestaltete Leitschaufel lässt einen günstigeren Verlauf des Regelmoments beim Verstellvorgang zu. FIG. 4 shows a development of a guide vane, in which, in contrast to FIG. 2, the bearing pins 1 are arranged such that the axis of rotation A lies outside the profile 6, but within the framework profile formed by the band-shaped element 8 and the blade body 5. In this example, the height of the truss h is at least 1A of the length L of the blade body 5. A guide blade designed in this way permits a more favorable course of the control torque during the adjustment process.

Bei der in Figur 5 dargestellten Leitschaufel ist das bandförmige Element 8 gegen den Schaufelkörper 5 mit einem bestimmten Winkel y, der zwischen 0 und 20° liegen kann, angestellt. Hierdurch lassen sich besonders günstige Strömungsverhältnisse erreichen. Das Stützelement ist zur Materialeinsparung als gelochte Rippe 12 mit einem oder mehreren Löchern 13 ausgebildet. In the guide vane shown in FIG. 5, the band-shaped element 8 is set against the vane body 5 at a certain angle y, which can be between 0 and 20 °. This allows particularly favorable flow conditions to be achieved. The support element is designed to save material as a perforated rib 12 with one or more holes 13.

Diese gelochten Rippen lassen sich auch, wie in Figur 6 gezeigt ist, auf paarweise angeordnete, voneinander getrennte flache Stege 14 und 15 reduzieren, oder wie in Figur 7 gezeigt, auf unregelmässig geformte Stützelemente 16 und 17. As shown in FIG. 6, these perforated ribs can also be reduced to flat webs 14 and 15 which are arranged in pairs and separated from one another, or, as shown in FIG. 7, to irregularly shaped support elements 16 and 17.

Auch Abwandlungen und zweckmässige Weiterbildungen der Form des Fachwerkes 7 sind möglich, z.B. auch eine asymmetrische Ausbildung des Fachwerkes. Modifications and appropriate further developments of the shape of the framework 7 are also possible, e.g. also an asymmetrical formation of the framework.

Figur 8 zeigt ein Fachwerk mit drei zwischen dem bandförmigen Element 8 liegenden Stützelement 18,19 und 20, FIG. 8 shows a framework with three support elements 18, 19 and 20 lying between the band-shaped element 8,

welche mit verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche des Schaufelkörpers 5 aufgesetzt sind. Die Anzahl der Stützelemente kann auch grösser als 3 sein. which are placed on the surface of the blade body 5 at different angles. The number of support elements can also be greater than 3.

Figur 9 zeigt ein besonders stabiles Fachwerk, dessen Ele-5 mente wiederum als flache, parallel zur Strömung angeordnete Tafeln ausgebildet sind, welche so angeordnet sind, dass ausschliesslich Öffnungen 0 mit dreieckigem Querschnitt entstehen. FIG. 9 shows a particularly stable framework, the elements of which in turn are designed as flat panels arranged parallel to the flow, which are arranged in such a way that only openings 0 with a triangular cross section are created.

Es wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die io beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern das Weiterbildungen im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich sind. Durch die Erfindung wird in jedem Fall erreicht, dass für die Strömung ein grösserer freier Querschnitt zur Verfügung steht, da nur ein dünner Schaufelkörper erforderlich ist, 15 und dass das diesen stützende und versteifende Fachwerk aus dünnen bandförmigen Elementen besteht, deren Dicke weniger als die Hälfte der Schaufelkörperdicke beträgt. Die versteifenden Elemente liegen dabei derart in der Strömung, It is noted that the invention is not limited to the examples described above, but that further developments are possible within the scope of the inventive concept. In any case, the invention achieves that a larger free cross section is available for the flow, since only a thin blade body is required, 15 and that the framework supporting and stiffening it consists of thin band-shaped elements, the thickness of which is less than half the blade body thickness is. The stiffening elements lie in the flow in such a way

dass diese durch sie nur wenig beeinflusst wird. Gegenüber 2o vorbekannten Leitschaufeln mit Vollprofil ist eine beträchtliche Reduktion des Materialaufwandes erreichbar. Zudem werden durch die grössere Torsions- und Biegesteifigkeit der Leitschaufeln auch deren Lager wesentlich weniger belastet, indem die Schaufelblattverformung verkleinert wird, so dass 25 auch hier Einsparungen möglich sind. that it is little influenced by them. Compared to 2o previously known guide vanes with a full profile, a considerable reduction in the material expenditure can be achieved. In addition, the greater torsional and bending stiffness of the guide vanes means that their bearings are subjected to considerably less stress by reducing the deformation of the airfoil, so that savings can also be made here.

Mit derartigen Leitschaufeln versehene Leitapparate eignen sich besonders für die Verwendung bei hydraulischen Maschinen jeder Art, d.h. Wasserturbinen und Pumpturbinen, mit besonders grossen Abmessungen. Währen vorbe-30 kannte Leitschaufeln ihrer grossen Abmessungen wegen eine besonders starke Durchbiegung und Torsion zeigten und leicht zu Schwingungen neigten, können diese Nachteile durch die beschriebenen, erfindungsgemässen Leitschaufeln vermieden werden. Die Erfindung ist auch im konischen oder 35 ebenen Leitrad von Rohrturbinen oder entsprechenden Pumpturbinen anwendbar. Erfindungsgemässe Leitschaufeln sind zwar vorzugsweise für Leitapparate mit verstellbaren Schaufeln bestimmt, können jedoch auch mit Vorteil für Leitapparate mit festen Schaufeln verwendet werden. Guide vanes provided with such guide vanes are particularly suitable for use in hydraulic machines of all kinds, i.e. Water turbines and pump turbines with particularly large dimensions. While prior to known guide vanes due to their large dimensions showed a particularly strong deflection and torsion and easily prone to vibrations, these disadvantages can be avoided by the described guide vanes according to the invention. The invention can also be used in the conical or flat guide wheel of tubular turbines or corresponding pump turbines. Guide vanes according to the invention are preferably intended for guide devices with adjustable blades, but can also be used advantageously for guide devices with fixed blades.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

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1. Guide device for a hydraulic turbomachine with a plurality of guide vanes having a profile, characterized in that the guide vanes (5) are stiffened by a truss (7) which consists of flat elements (8, mainly in the direction of the guide vane profile axis (S)). 9.10).

2. Guide device according to claim 1, characterized in that the guide vanes have an axis of rotation (A), the flow through the guide device being changeable by rotating the guide vanes about their axis of rotation, optionally until the guide device is completely closed.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Guide apparatus according to claim 2, characterized in that the axis of rotation (A) lies outside the profile (6) of the guide vane body, but within the framework (7).

4. Guide apparatus according to one of claims 1 to 3, characterized in that at least one element (8) of the framework is anchored at one end (3, 4) of the guide vane (5).

5. Guide apparatus according to one of claims 1 to 4, characterized in that at least one element (9, 10) of the framework (7) is anchored on the surface of the guide vane (5).

6. Guide apparatus according to claim 5, characterized in that at least one element (9, 10) of the framework (7) is anchored on the surface of the guide vane perpendicularly to the latter.

7. Leitapparat according to claim 5 or 6, characterized in that at least one anchored on the surface element (12) is designed as a perforated rib.

8. Guide device according to one of claims 5 or 6, characterized in that at least one element anchored on the surface is formed from two separate, flat webs (14, 15, 16, 17).

9. Guide apparatus according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one element (8) of the framework (7) is designed as a band, the width (b) of which is at most 2A of the guide vane length (L), in the direction of the profile axis (S ) is measured.

10. Guide device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the height (h) of the truss (7), measured perpendicular to the direction of flow, at least Vi the length (L) of the guide vane, measured in the direction of the profile axis (S), is.