CH664603A5

CH664603A5 - Water turbine for lower power output - has water flow controlled by axially sliding sleeve on central inlet pipe

Info

Publication number: CH664603A5
Application number: CH4037/84A
Authority: CH
Inventors: Klaus Reithofer
Original assignee: Klaus Reithofer
Priority date: 1984-08-23
Filing date: 1984-08-23
Publication date: 1988-03-15
Also published as: DE3602083A1

Abstract

A low power water driven turbine for operating with a head greater than 10 metres has an impeller consisting of a disc (1) with curved blades (2). The water inlet is formed by an axial pipe (6) with a sliding sleeve (5) at its end. This sleeve cooperates with the impeller hub (4) to form a nozzle which deflects the water in the radial direction. The volumetric flow of water is controlled by sliding the sleeve (5) axially on the pipe (6). The blades are in the form of circular arcs and are designed for maximum efficiency. USE - For small power outputs of less than 10 KW.

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Die Erfindung betrifft eine Turbine für kleine Wasserkraftwerke mit Fallhöhen über 10 Meter. The invention relates to a turbine for small hydropower plants with heads of over 10 meters.

Die bekannten Bauformen wie Pelton-, Francis-, Kaplan -und Rohrturbinen haben ihre speziellen Einsatzbereiche bezüglich Gefälle und Wassermenge. Sie eignen sich sehr gut für die Umsetzung grosser Energiemengen. Für diese Turbinen ergibt sich jedoch ein Leistungsminimum, unter dem sich ihr Einsatz aus wirtschaftlichen Gründen nicht mehr lohnt, da die Herstellung dieser Turbinen auch für kleine Leistungen, infolge der komplizierten Bauformen der Laufräder und Wassermengenregulierung relativ hohe Kosten verursacht. The well-known designs such as Pelton, Francis, Kaplan and tubular turbines have their special areas of application with respect to the gradient and the amount of water. They are very suitable for the implementation of large amounts of energy. For these turbines, however, there is a minimum output, below which their use is no longer worthwhile for economic reasons, since the production of these turbines, even for small outputs, causes relatively high costs due to the complicated designs of the impellers and water quantity regulation.

Aufgabe der Erfindung ist die Vereinfachung der Bauform, um eine Turbine mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand herstellten zu können, damit ein wirtschaftlicher Einsatz dieser Turbine für kleine Leistungen z.B. unter 10 kW möglich wird. The object of the invention is to simplify the design in order to be able to produce a turbine with simple means and little effort, so that an economical use of this turbine for low outputs, e.g. less than 10 kW is possible.

Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruch 1. Die Turbine ist gemäss der Erfindung so konstruiert, dass sie nur wenige Bauteile benötigt. Diese sind mit Ausnahme der Laufradschaufeln alles Drehkörper. Die Laufradschaufeln sind ebenfalls einfach zu fertigen, da sie infolge der Umlenkung des Wasserstrahles in radiale Richtung nur in einer Ebene gekrümmt sind. The solution to the problem results from the characterizing features of claim 1. The turbine is constructed according to the invention in such a way that it requires only a few components. With the exception of the impeller blades, these are all rotating bodies. The impeller blades are also easy to manufacture because they are only curved in one plane due to the deflection of the water jet in the radial direction.

Die Achse trägt eine Scheibe, auf welcher gekrümmte Schaufeln angebracht sind. Die Stabilität und Festigkeit der Schaufeln wird durch diese Verbindung verstärkt. Das Laufrad kann, ohne eigenes Lager, fliegend mit der Generatorwelle verbunden werden. Das freie Ende der Turbinenachse ist z.B. als Düsennadel ausgebildet. Die Regelung der Turbine erfolgt z.B. durch axiale Verschiebung einer Rohrmanschette, welche in oder über der Wasserzuleitungsröhre gleitbar gelagert ist. Mit dem dadurch variablen Abstand zwischen Röhre und Düsennadel wird der Querschnitt für den Wasserzufluss und damit die Turbinenleistung geregelt. Das Gehäuse erfordert keine Abdichtungen, da kein Druckwasser an ihm ansteht. Die Erfindung wird im folgenden an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: The axis carries a disc on which curved blades are attached. This connection increases the stability and strength of the blades. The impeller can be connected to the generator shaft without a bearing. The free end of the turbine axis is e.g. designed as a nozzle needle. The turbine is controlled e.g. by axially displacing a pipe sleeve, which is slidably mounted in or above the water supply pipe. The variable distance between the tube and the nozzle needle regulates the cross section for the water inflow and thus the turbine output. The housing does not require any seals because there is no pressurized water on it. The invention is explained below using an exemplary embodiment with reference to the drawings. Show it:

Fig. 1 Das Laufrad einer erfindungsgemäss ausgebildeten -Turbine Fig. 1 The impeller of a turbine designed according to the invention

Fig. 2 Ein Schnittbild der Turbine Fig. 2 is a sectional view of the turbine

Fig. 3 Die Konstruktion der Krümmungskurve einer Lauf-s radschaufel Fig. 3 The construction of the curvature curve of a Lauf-s wheel blade

Fig. 4 und Fig. 5 Hilfskurven zu Konstruktion des Schaufelprofils. Fig. 4 and Fig. 5 auxiliary curves for the construction of the blade profile.

In der Fig. 1 ist ein Laufrad mit den charakteristisch ausge-lo bildeten Schaufeln 2 zu sehen. Die Herleitung ihrer Biegelinien wird anhand der Fig. 3-5 näher beschrieben. Die Zahl der Schaufeln ist um so höher zu wählen, je grösser der Radius ist, auf dem die Eintrittskanten der Schaufeln liegen. Ihr Abstand sollte nicht wesentlich grösser sein als in der 15 Fig. 1 dargestellt, da sonst der Turbinenwirkungsgrad sinkt. Die Schaufeln werden vorzugsweise aus Stahlblechen gefertigt. Sie werden mit Hilfe von Schablonen gebogen und auf die Grundscheibe aufgeschweisst, wodurch ihre Stabilität wesentlich verstärkt wird. Die Grundscheibe 1 dient zugleich 20 als Schwungrad. Mit ihrer Dicke kann das gewünschte Trägheitsmoment bestimmt werden. 1 shows an impeller with the characteristically designed blades 2. The derivation of their bending lines is described in more detail with reference to FIGS. 3-5. The larger the radius on which the leading edges of the blades lie, the greater the number of blades to be selected. Their distance should not be significantly greater than that shown in FIG. 15, since otherwise the turbine efficiency drops. The blades are preferably made from sheet steel. They are bent using templates and welded onto the base plate, which significantly increases their stability. The base plate 1 also serves 20 as a flywheel. The desired moment of inertia can be determined with its thickness.

An dem in Fig. 2 dargestellten Schnittbild ist die Funktionsweise der Turbinenleistungsregelung zu erkennen. The functioning of the turbine power control can be seen from the sectional view shown in FIG. 2.

Die axial verschiebbare Rohrmanschette 5 gibt je nach Abstand zum konisch, als Düsennadel ausgebildeten Achsende 4 der Turbinenwelle einen unterschiedlich grossen Querschnitt für den Wasseraustritt frei. Damit kann mit diesem Abstand die Wassermenge bzw. Turbinenleistung 3# eingestellt werden. Wird diese Stellgrösse in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Generatorspannung oder des Leistungsbedarfes über geeignete Regler eingestellt, so ergibt sich daraus eine Regelung der gewünschten Grösse. Das Profil des Achsende 4 ist so ausgebildet, dass es einerseits als 3s Düsennadel wirkt, wodurch das Wasser bis zum Austritt an dem Rohr annähernd kontinuierlich beschleunigt wird, und andererseits zur Umlenkung des Wasserstrahles in radiale Richtung dient. Durch die Umleitung in radiale Richtung werden immer alle Schaufeln gleichzeitig beaufschlagt, und die Kräfte sind ausgeglichen. Dadurch kann das Laufrad problemlos auf der Generatorwelle frei gelagert werden. Am Generator ist lediglich ein Axiallager zur Abstützung der durch die Umlenkung des Wassers auftretenden Axialkräfte erforderlich. Depending on the distance to the conical axis end 4 of the turbine shaft, which is designed as a nozzle needle, the axially displaceable pipe sleeve 5 releases a cross section of different sizes for the water outlet. With this distance, the amount of water or turbine power can be set to 3 #. If this manipulated variable is set as a function of the speed, the generator voltage or the power requirement using suitable controllers, this results in regulation of the desired variable. The profile of the axle end 4 is designed such that it acts on the one hand as a 3s nozzle needle, as a result of which the water is accelerated almost continuously until it exits the pipe, and on the other hand serves to deflect the water jet in the radial direction. By redirecting in the radial direction, all blades are always acted on simultaneously and the forces are balanced. This means that the impeller can be freely supported on the generator shaft. All that is required on the generator is an axial bearing to support the axial forces caused by the deflection of the water.

45 In der Fig. 3,4 und 5 werden die Schritte zur Konstruktion einer Turbinenschaufel dargestellt. Bei der Konstruktion des Schaufelprofils wird von einer Kurve 1 ausgegangen, die ein Wassertropfen beschreiben würde, wenn er mit der Geschwindigkeit v vom Zentrum aus in radialer Richtung so über die Scheibe f liesst, die sich gleichzeitig so schnell dreht, dass die Umfangsgeschwindigkeit am Aussenradius ebenfalls v entspricht. Es ist eine Kurve, deren Steigung proportional mit dem Radius zunimmt. Die Funktion, welche diese Forderung erfüllt, lautet: f (r) = r2/R. Sie ist in Fig. 4 in kartesi-55 schem Koordinatensystem dargestellt. Man erhält diese Kurve 7 in Fig. 3 auf der Scheibe in Polarkoordinaten gezeichnet, indem die in Fig. 4 auf der Ordinate dargestellte Bogenlänge auf dem jeweilig zugeordneten Radius abgewik-kelt wird. 45 The steps for the construction of a turbine blade are shown in FIGS. 3, 4 and 5. The construction of the blade profile is based on a curve 1 which a drop of water would describe if it ran at a speed v from the center in a radial direction over the disc f, which at the same time rotated so fast that the peripheral speed at the outer radius also did v corresponds. It is a curve whose slope increases proportionally with the radius. The function that fulfills this requirement is: f (r) = r2 / R. It is shown in Fig. 4 in a Cartesian coordinate system. This curve 7 in FIG. 3 is drawn on the disk in polar coordinates by developing the arc length shown on the ordinate in FIG. 4 on the respectively assigned radius.

60 Eine Turbine, deren Schaufeln entsprechend der Kurve 7 geformt wären, würde sich ohne Leistungsabgabe auch mit der Umfangsgeschwindigkeit v drehen, aber die kinetische Energie des Wassers dabei nicht ausnützen. Um die kinetische Energie des Wassers nahezu vollständig in mecha-65 nische Arbeit umsetzen zu können, ist es notwendig, dass die Absolutgeschwindigkeit des Wassers während dem Durchströmen der Laufradschaufel gegen Null abgebremst wird. Dies erfolgt durch eine Umlenkung des Wasserstrahles um 60 A turbine, the blades of which would be shaped according to curve 7, would also rotate at peripheral speed v without output, but would not take advantage of the kinetic energy of the water. In order to be able to convert the kinetic energy of the water almost completely into mechanical work, it is necessary that the absolute speed of the water is decelerated towards zero while flowing through the impeller blade. This is done by redirecting the water jet

3 664603 3 664603

annähernd 90° von radialer in tangentiale Richtung, bzw. Übertragung auf den jeweils zugeordneten Radius des wodurch sich die relative Wassergeschwindigkeit auf der Laufrades. approximately 90 ° from the radial in the tangential direction, or transfer to the respectively assigned radius of which causes the relative water speed on the impeller.

Schaufel mit der Umfangsgeschwindigkeit an der Austritts- Die Bogenlänge der Kurve 9 in Abhängigkeit vom Radius kante so überlagert, dass die Absolutgeschwindigkeit fast null entspricht der Funktion : Blade with the circumferential speed at the exit - The arc length of curve 9 superimposed as a function of the radius edge so that the absolute speed corresponds almost to the function:

beträgt. s is. s

In Fig. 5 ist der 'A-Kreis für die 90° Umlenkung in kartesi- Bogenlänge = f (r) = r2/R + R - VR2 - r2 sehen Koordinaten dargestellt. Die Bogenlänge in Abhängigkeit des Radius ergibt sich nach der Formel : R ist dabei der Aussenradius des Laufrades. Er wird bestimmt durch die gewünschte Turbinendrehzahl und dem io Gefälle bzw. der Geschwindigkeit des Wasserstrahles. Bogenlänge = f (r) = R - VR2 - r2 Die Schaufelkrümmung entsprechend obiger Formel ist zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades vorgesehen. Die Krümmung kann durch einen Kreisbogen gut angenä-Die Form der Schaufel ist in der Fig. 3 als Kurve 9 darge- hert werden, wodurch sich ihre Herstellung noch weiter verstellt. Sie ist entstanden durch die Addition der in Fig. 4 und iS einfachen lässt, ohne den Wirkungsgrad wesentlich zu ver-Fig. 5 aufgetragenen Bogenlängen und deren Abwicklung schlechtem. In Fig. 5 the 'A-circle for the 90 ° deflection in Cartesian arc length = f (r) = r2 / R + R - VR2 - r2 see coordinates. The arc length depending on the radius results from the formula: R is the outer radius of the impeller. It is determined by the desired turbine speed and the downward gradient or the speed of the water jet. Arc length = f (r) = R - VR2 - r2 The blade curvature according to the above formula is intended to achieve optimal efficiency. The curvature can be approximated well by a circular arc. The shape of the blade is shown as curve 9 in FIG. 3, whereby its manufacture is further adjusted. It is created by the addition of the simple in Fig. 4 and iS, without significantly ver-Fig. 5 applied sheet lengths and their handling bad.

B B

2 Blatt Zeichnungen 2 sheets of drawings

Claims

664 603

1. Turbine for small hydropower plants with heads of more than 10 meters, characterized in that the impeller consists of a disc (1) on which curved webs (2) are formed, which form the impeller blades, the water supply line (5, 6) axially the center of the impeller is laid out and the free end (4) of the trubine axis (3) is designed so that on the one hand it deflects the water jet in the radial direction for simultaneous action on all impeller blades and on the other hand it forms a nozzle needle which determines the flow cross-section within the axial pipe feed .

2. Turbine according to claim 1, characterized in

that an axially displaceable pipe sleeve (5) is attached to the water supply line (6) in order to regulate the turbine power or the amount of water, as a result of which the flow cross-section on the nozzle needle (4) can be changed.

2nd

PATENT CLAIMS

3. Turbine according to claim 1, characterized in that the impeller blades (2) are arcuate.

4. Turbine according to claim 1, characterized in

that the curvature of the impeller blades (2) is designed to achieve optimum efficiency in accordance with the curve (9) of FIG. 3.