DE102010050001A1 - Pump in Francis design for a hydroelectric power station - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe in Francis-Bauart, umfassend die folgenden Merkmale: – ein Laufrad; – ein Spiralgehäuse; – ein Saugrohr; – einen im Zulauf zum Laufrad angeordneten Gegendrallerzeuger, der während des Anfahrens der Pumpe aktivierbar, und nach dem Anfahren deaktivierbar ist, und der einen entgegen der Drehrichtung des Laufrades wirkenden Drall erzeugt.The invention relates to a Francis type pump comprising the following features: an impeller; - a volute casing; - a suction pipe; - A counter-swirl generator arranged in the inlet to the impeller, which can be activated during start-up of the pump and deactivated after start-up, and which generates a swirl that acts against the direction of rotation of the impeller.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe in Francis-Bauweise für ein Wasserkraftwerk zum Pumpen von Wasser von einem Unterwasserbecken zu einem Oberwasserbecken.The invention relates to a pump in Francis design for a hydroelectric power plant for pumping water from an underwater pool to an upper water basin.

Eine solche Pumpe weist ein Laufrad auf, ein Spiralgehäuse sowie ein Saugrohr.Such a pump has an impeller, a volute and a suction tube.

Sie kann Bestandteil eines Pumpspeicherwerkes sein. Als solche kann sie bei Strömung des Wassers vom Oberwasserbecken zum Unterwasserbecken als Turbine betrieben werden. Siehe WO 2010/094887 A1 .It can be part of a pumped storage plant. As such, it can be operated as a turbine in the flow of water from the upper reservoir to the underwater pool. Please refer WO 2010/094887 A1 ,

Eine solche Pumpe ist auf gewisse, kraftwerkbedingte Parameter ausgelegt, vor allem auf eine gewisse Förderhöhe und einen gewissen Durchsatz.Such a pump is designed for certain, power plant-related parameters, especially on a certain head and a certain throughput.

Bei solchen Pumpen kommt es immer wieder zu Problemen beim Anfahren. Die Probleme liegen darin, dass es beim Anfahren gar nicht zum Fördern von Wasser kommt, weil die Strömung instabil ist.With such pumps, there are always problems when starting up. The problems are that it does not come to the delivery of water when starting, because the flow is unstable.

Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Die Probleme treten dann auf, wenn die Förderhöhe über ein bei der Konstruktion zugrunde gelegtes Maß hinausgeht. Dies kann zum Beispiel dann eintreten, wenn der Oberwasserspiegel besonders hoch ist, oder wenn der Unterwasserspiegel besonders niedrig ist, oder wenn beides gleichzeitig eintritt. Sie haben somit die Förderhöhe als besonders kritische Größe erkannt.The inventors have recognized the following:
The problems occur when the head goes beyond a design basis. This can happen, for example, when the surface water level is particularly high, or when the underwater level is particularly low, or when both occur simultaneously. They have thus recognized the head as a particularly critical size.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass die Strömung auch bei großen Förderhöhen stabil ist und das Anfahren der Pumpe ermöglicht.The invention has for its object to design a pump of the type mentioned in such a way that the flow is stable even at high heights and allows the start of the pump.

Die Lösung besteht in Folgendem:

  • – Im Zulauf zur Pumpe werden Drallerzeuger vorgesehen
  • – Insbesondere werden dem Saugrohr eine Anzahl von Leitelementen zugeordnet, die am Umfang des Saugrohres angeordnet sind und die während des Anfahrens der Pumpe in die vom Saugrohr geführte Strömung einrückbar sind.
  • – Die Leitelemente sind derart gestaltet und angeordnet, dass sie der Strömung einen zur Umdrehung des Laufrades entgegengesetzten Drall verleihen. Damit lässt sich die Strömung beim Anfahren stabilisieren.
The solution consists of the following:
  • - In the inlet to the pump swirl generators are provided
  • - In particular, the intake manifold a number of guide elements are assigned, which are arranged on the circumference of the suction tube and which are engageable during start-up of the pump in the flow guided by the suction pipe.
  • - The vanes are designed and arranged so that they impart the flow opposite to the rotation of the impeller twist. This allows the flow to stabilize when starting.

Ist beim Anfahren durch den Gegendrall erst einmal eine stabile Strömung hergestellt, so können die Leitelemente wieder ausgerückt werden.Once a stable flow is established during startup by the counter-rotation, the guide elements can be disengaged again.

Die Erfindung sowie der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:The invention and the prior art are explained in more detail with reference to the drawing. The following is shown in detail:

1 zeigt eine Francis-Pumpe als Bestandteil eines Wasserkraftwerkes im Aufriss. 1 shows a Francis pump as part of a hydroelectric power plant in elevation.

2 zeigt in schematischer Darstellung denjenigen Teil des Saugrohres, an den sich das Laufrad anschließt, in einem Axialschnitt. 2 shows a schematic representation of that part of the suction pipe, which is followed by the impeller, in an axial section.

3 zeigt den Gegenstand von 2 in einer Ansicht III-III. 3 shows the item of 2 in a view III-III.

4 zeigt schematisch einen achssenkrechten Schnitt durch das Saugrohr mit einer Mehrzahl von hydraulischen Drallerzeugern. 4 schematically shows an axially perpendicular section through the suction tube with a plurality of hydraulic swirl generators.

5 zeigt ein Saugrohr gemäß dem Stande der Technik mit Stromlinien. 5 shows a suction tube according to the prior art with streamlines.

Die in 1 gezeigte Francis-Pumpe umfasst ein Laufrad 1, das von einem Spiralgehäuse 2 umschlossen ist.In the 1 Francis pump shown includes an impeller 1 that of a volute casing 2 is enclosed.

Dem Laufrad 1 ist ein Saugrohr 3 vorgeschaltet. Aus dem Spiralgehäuse wird der vom Laufrad 1 erzeugte Förderstrom in eine Steigleitung 4 eingespeist.The impeller 1 is a suction tube 3 upstream. The spiral casing becomes that of the impeller 1 generated flow in a riser 4 fed.

Das einlaufseitige Ende des Saugrohres taucht in ein hier nicht gezeigtes Unterwasserbecken ein. Das auslaufseitige Ende der Steigleitung 4 mündet in ein hier nicht gezeigtes Oberwasserbecken.The inlet end of the suction tube immersed in a not shown here underwater basin. The outlet end of the riser 4 flows into a freshwater basin (not shown here).

Die Pumpe ist von einem Elektromotor 5 angetrieben. Laufrad 1 und Elektromotor 5 sind koaxial angeordnet und stehen über eine Welle 6 miteinander in Triebverbindung.The pump is powered by an electric motor 5 driven. Wheel 1 and electric motor 5 are arranged coaxially and stand over a shaft 6 in communication with each other.

Saugrohr 3 weist einen Einlaufabschnitt 3.1, einen Krümmer 3.2 sowie einen dem Laufrad 1 vorgeschalteten Auslassabschnitt 3.3 auf.suction tube 3 has an inlet section 3.1 , a manifold 3.2 and one the impeller 1 upstream outlet section 3.3 on.

Entscheidendes Bauteil ist eine Einrichtung zum Erzeugen eines Dralles gegenläufig zum Laufrad 1. Diese Einrichtung umfasst eine Mehrzahl von Gegendrallerzeugern 7. Diese sind am Auslassabschnitt 3.3 des Saugrohres angeordnet. Siehe die 2 und 3.Decisive component is a device for generating a twist opposite to the impeller 1 , This device comprises a plurality of counter-swirl generators 7 , These are at the outlet section 3.3 arranged the suction pipe. See the 2 and 3 ,

Der in 2 gezeigte Gegendrallerzeuger 7 ist wie folgt aufgebaut:
Die Wandung des Auslassabschnittes 3.3 weist in ihrem dem Laufrad nahen Bereich eine Tasche 3.4 auf. Ein Leitelement 7.1 ist mittels einer Verstelleinrichtung 3.5 mehr oder minder weit zur Drehachse 1.1 des Laufrades 1 verschiebbar. Das Leitelement kann schaufelförmig sein.The in 2 shown counter-swirl generator 7 is structured as follows:
The wall of the outlet section 3.3 has a pocket in its area near the wheel 3.4 on. A guiding element 7.1 is by means of an adjustment 3.5 more or less far to the axis of rotation 1.1 of the impeller 1 displaceable. The guide element may be scoop-shaped.

Aus 3 ist erkennbar, dass das Leitelement 7.1 gegen die Ebene der Drehachse 1.1 geneigt ist. Dies ist Voraussetzung dafür, dass im Auslaufabschnitt 3.3 ein Drall in der Strömung erzeugt wird. Out 3 it can be seen that the guiding element 7.1 against the plane of the axis of rotation 1.1 is inclined. This is a prerequisite for being in the outlet section 3.3 a swirl is generated in the flow.

Es ist auch denkbar, das Leitelement 7.1 verstellbar zu lagern, sodass die Neigung gegen die Ebene der Drehachse 1.1 und damit auch der Drall verändert werden. Es sind mehrere Gegendrallerzeuger 7 vorgesehen, beispielsweise 2, 3, 4. Jedoch ist es auch denkbar, nur einen einzigen Gegendrallerzeuger 7 vorzusehen.It is also conceivable, the guide element 7.1 adjustable so that the inclination against the plane of the axis of rotation 1.1 and thus the twist can be changed. There are several counter-swirl generators 7 provided, for example 2 . 3 . 4 , However, it is also conceivable, only a single counter-swirl generator 7 provided.

Der Gegendrallerzeuger kann auch eine andere Gestalt aufweisen, als der dargestellte. So kann das Leitelement auch als drehbares Element ausgebildet sein, umfassend eine Drehachse und eine Mehrzahl von auf der Drehachse sitzenden Schaufeln. Auch kann eine nicht-mechanische Lösung in Betracht kommen. So können beispielsweise Düsen vorgesehen werden, mit denen das Saugrohr bestückt ist, beispielsweise in seinem Auslassabschnitt 3.3. Die Düsen sind an ein fließfähiges Medium anschließbar, im Allgemeinen Wasser, und sind derart gerichtet, dass in der Strömung im Saugrohr 3 der gewünschte Gegendrall erzeugt wird.The counter-swirl generator can also have a different shape than that shown. Thus, the guide element can also be designed as a rotatable element, comprising a rotation axis and a plurality of blades seated on the rotation axis. Also, a non-mechanical solution may be considered. For example, nozzles can be provided with which the intake manifold is equipped, for example in its outlet section 3.3 , The nozzles are connectable to a flowable medium, generally water, and are directed such that in the flow in the suction tube 3 the desired counter-rotation is generated.

4 veranschaulicht schematisch eine hydraulische Lösung. In der Wandung des Saugrohres 3 sind mehrere Drallerzeugungsdüsen 8 angeordnet. Hier werden Wasserstrahlen eingeleitet. Die Strahlrichtung ist durch die Pfeile veranschaulicht. 4 schematically illustrates a hydraulic solution. In the wall of the suction pipe 3 are several swirl generation nozzles 8th arranged. Here water jets are introduced. The beam direction is illustrated by the arrows.

5 zeigt schematisch ein Saugrohr 3 einer hydraulischen Pumpe mit Stromliniendiagramm. Das Saugrohr ist nicht mit erfindungsgemäßen Gegendrallerzeugern ausgestattet. Wie man sieht, kommt es an den inneren Wandbereichen der Krümmung des Saugrohres zu Ablösungen X. 5 schematically shows a suction tube 3 a hydraulic pump with power line diagram. The suction tube is not equipped with counter-rotating generators according to the invention. As you can see, it comes to the inner wall portions of the curvature of the suction pipe to detachments X.

Die Erfindung lässt sich auch bei Pumpturbinen anwenden. In einem solchen Falle werden die Gegendrallerzeuger im Pumpbetrieb aktiviert – wiederum nur beim Anfahren.The invention can also be applied to pump turbines. In such a case, the counter-swirl generators are activated in pumping mode - again only when starting up.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LaufradWheel
1.11.1
Drehachseaxis of rotation
22
Spiralgehäusevolute
33
Saugrohrsuction tube
3.13.1
Einlaufabschnittinlet section
3.23.2
Krümmerelbow
3.33.3
Auslassabschnittoutlet
3.43.4
Taschebag
3.53.5
Verstelleinrichtungadjustment
44
Steigleitungriser
55
Elektromotorelectric motor
66
Wellewave
77
GegendrallerzeugerAgainst swirl generator
7.17.1
Leitelementvane
88th
DrallerzeugungsdüsenSwirl generation jets

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (6)

Pumpe in Francis-Bauart, umfassend die folgenden Merkmale: 1.1 ein Laufrad (1); 1.2 ein Spiralgehäuse (2); 1.3 ein Saugrohr (3); 1.4 einen im Zulauf zum Laufrad (1) angeordneten Gegendrallerzeuger (7), der während des Anfahrens in Pumprichtung aktivierbar, und nach dem Anfahren deaktivierbar ist, und der einen entgegen der Drehrichtung des Laufrades (1) wirkenden Drall erzeugt.Francis-type pump comprising the following features: 1.1 an impeller ( 1 ); 1.2 a volute casing ( 2 ); 1.3 a suction tube ( 3 ); 1.4 one in the inlet to the impeller ( 1 ) arranged counter-swirl generator ( 7 ), which can be activated in the pumping direction during start-up and can be deactivated after starting, and which is counter to the direction of rotation of the impeller ( 1 ) produces acting swirl. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der, Gegendrallerzeuger (7) Bestandteil einer Pumpturbine ist.Pump according to claim 1, characterized in that the counter-swirl generator ( 7 ) Is part of a pump turbine. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendrallerzeuger Leitelemente (7.1) umfasst.Pump according to claim 1 or 2, characterized in that the counter-swirl generator comprises guide elements ( 7.1 ). Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendrallerzeuger eine Mehrzahl von Drallerzeugungsdüsen (8) umfasst.Pump according to claim 1 or 2, characterized in that the counter-swirl generator comprises a plurality of swirl-generating nozzles ( 8th ). Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendrallerzeuger im Auslaufabschnitt (3.3) des Saugrohres angeordnet ist.Pump according to one of claims 1 to 4, characterized in that the counter-swirl generator in the outlet section ( 3.3 ) of the suction pipe is arranged. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendrallerzeuger eine Mehrzahl von Einheiten umfasst, die um die Drehachse (1.1) herumgruppiert sind.Pump according to one of claims 1 to 5, characterized in that the counter-swirl generator comprises a plurality of units which are arranged around the axis of rotation ( 1.1 ) are grouped around.
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