DE102013000469A1 - Water pump- or pump turbine or axial water turbine e.g. pipe turbine, for tidal power station, has suction tube stator whose retracting and extending part is carried-out through tube cross-section along vertical or lateral direction - Google Patents

Water pump- or pump turbine or axial water turbine e.g. pipe turbine, for tidal power station, has suction tube stator whose retracting and extending part is carried-out through tube cross-section along vertical or lateral direction Download PDF

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Abstract

The turbine has a stator (2) whose shovels are supported at a generator unit/inside wall and an exterior wall, and multiple guide vanes arranged in a suction tube stator (6). The guide vane is moved into a suction tube (4), and a retracting and extending part of the suction tube stator is carried-out through a suction tube cross-section along a vertical or lateral direction. The guide vanes are installed in a movable dam board (7) or movable support structure. The running wheel (1) is rotated around axes of the guide vanes.

Description

Die Erfindung betrifft Wasserturbinen, insbesondere axiale Wasserturbinen, z. B. Kaplan- oder Rohrturbinen. Siehe beispielsweise DE 101 00 963 A1 .The invention relates to water turbines, in particular axial water turbines, z. B. Kaplan or tubular turbines. See for example DE 101 00 963 A1 ,

Eine solche Turbine weist als wesentliche Teile ein Laufrad (1), ein Leitrad (2), ein Gehäuse (5) mit Saugrohr (4) und eine Generator- oder Motorbirne (3) auf, 1. Das Laufrad umfasst eine Welle sowie eine Anzahl von Schaufeln, die von der Welle getragen sind und mit dieser umlaufen. Die Laufschaufeln sind im Allgemeinen um Drehachsen verstellbar, die senkrecht zur Längsachse der Welle verlaufen. Die Leitschaufeln des Leitrads, sind um Drehachsen verstellbar und im Gehäuse und in der Birne gelagert.Such a turbine has as essential parts an impeller ( 1 ), a stator ( 2 ), a housing ( 5 ) with suction tube ( 4 ) and a generator or motor bulb ( 3 ) on, 1 , The impeller comprises a shaft and a number of blades carried by and revolving around the shaft. The blades are generally adjustable about axes of rotation which are perpendicular to the longitudinal axis of the shaft. The guide vanes of the stator, are adjustable about axes of rotation and stored in the housing and in the bulb.

Das Verstellen der Schaufeln dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu optimieren, und zwar über den gesamten Arbeitsbereich hinweg. Außerdem wird bei entsprechendem Verstellen ein Pump- oder Rückwärtsturbinenbetrieb ermöglicht, der vor allem in Gezeitenkraftwerken die Energiegewinnung wesentlich steigert.The adjustment of the blades serves to optimize the efficiency of the turbine, over the entire working range. In addition, a pump or Rückwärtsturbinenbetrieb is possible with appropriate adjustment, which increases energy production, especially in tidal power plants significantly.

Üblicherweise sind im Turbineneinlauf und im Saugrohr Dammbalkenschlitze (7) vorhanden. Mit eingesetzten Dammbalken oder Dammtafeln kann die Turbine abgesperrt und zur Montage oder Revision entleert werden.Usually, in the turbine inlet and in the intake manifold, dam bar slots ( 7 ) available. The turbine can be shut off and emptied for assembly or overhaul with installed dam beams or dam boards.

Gezeitenkraftwerke funktionieren meist nach dem Staudammprinzip und werden an Meeresbuchten oder Flussmündungen errichtet, die einen besonders hohen Tidenhub (Differenz zwischen Hoch- und Niedrigwasserstand) aufweisen. Im Absperrdamm befinden sich Wasserturbinen die bei Flut von einfließendem Wasser (Turbinenbetrieb, 1), bei Ebbe vom ausfließenden Wasser (Rückwärtsturbinenbetrieb, 2) beschickt werden. Die Turbinen müssen in beiden Durchströmrichtungen zuverlässig arbeiten. Der Turbinenrückwärtsbetrieb ist für die Wirtschaftlichkeit eines Gezeitenkraftwerks von großer Bedeutung.Tidal power plants usually operate on the dam principle and are built on bays or estuaries, which have a particularly high tidal range (difference between high and low water levels). In Absperrdamm are water turbines at high tide of incoming water (turbine operation, 1 ), at low tide from effluent water (reverse turbo operation, 2 ). The turbines must work reliably in both flow directions. Turbine reverse operation is very important for the economic efficiency of a tidal power plant.

Ein solches Gezeitenkraftwerk kann auch überschüssigen Strom anderer Kraftwerke nutzen um Wasser in den Stauraum zu pumpen. In diesem Fall wirkt das Gezeitenkraftwerk als Pumpspeicherkraftwerk.Such a tidal power plant can also use excess power from other power plants to pump water into the storage space. In this case, the tidal power plant acts as a pumped storage power plant.

Gezeitenkraftwerke sind seit längerem im Betrieb, jedoch wird der Rückwärtsturbinenbetrieb meist vermieden, da Druckpulsationen und Strömungsablösungen im Bereich der Leitschaufeln entstehen, die zu hohen mechanischen Belastungen und Erschütterungen an den Turbinen führen.Tidal power plants have long been in operation, but the Rückwärtsturbinenbetrieb is usually avoided because pressure pulsations and flow separation in the area of the vanes arise that lead to high mechanical loads and vibrations on the turbines.

Zusätzlich sind der Wirkungsgrad und der Durchfluss niedrig. In einigen Gezeitenkraftwerken wird daher auf die Energiegewinnung im Rückwärtsturbinenbetrieb verzichtet. Die Turbinen trudeln im Leerlauf, mit dem Ziel einen großen Durchfluss zu erreichen, damit das Absperrbecken schnell wieder gefüllt wird.In addition, the efficiency and flow are low. In some tidal power plants, therefore, the energy production in the backward turbine operation is dispensed with. The turbines idle with the aim of achieving a large flow, so that the shut-off tank is refilled quickly.

Hauptursache für die Druckpulsationen und Strömungsablösungen ist, neben der Falschanströmung des Laufrades, die mit starker Drall behaftete Laufradabströmung, die im nachfolgenden Leitrad nicht mehr optimal gleichgerichtet werden kann.The main reason for the pressure pulsations and flow separation is, in addition to the false flow of the impeller, the impeller with impeller impeller flow, which can not be optimally rectified in the following stator.

Erläuterung: Der Drall der Laufradabströmung ergibt sich aus der Euler-Turbinengleichung g·H = uE·cuE – uA·cuA (1) mit H = Fallhöhe; g = Gravitationskonstante, cu = Umfangsgeschwindigkeit der Strömung, u Umfangsgeschwindigkeit des Laufrades
und den Indices
E = Eintritt und A = AustrittExplanation: The spin of the impeller outflow results from the Euler turbine equation g · H = u E · cu E - u A · cu A (1) with H = drop height; g = gravitational constant, cu = peripheral velocity of the flow, u peripheral speed of the impeller
and the indices
E = entrance and A = exit

Die Strömung bei Turbinenrückwärtsbetrieb besitzt im Saugrohr keine Umfangsgeschwindigkeit cuE (drallfreie Zuströmung), somit gilt g·H = –uA·cuA (2) The flow in turbine reverse operation has in the intake manifold no peripheral speed cu E (twist-free inflow), thus applies g · H = -uA · cu A (2)

Die Fallhöhe wird in eine hohe Umfangsgeschwindigkeit cuA der Strömung am Laufradaustritt umgesetzt. Das nachfolgende Leitrad wird nicht mehr optimal angeströmt. Es ergeben sich am Leitrad Strömungsablösungen mit Druckpulsationen und hohen Verlusten.The drop height is converted into a high peripheral speed cu A of the flow at the impeller outlet. The following stator is no longer optimally flowed. There are at the stator flow separations with pressure pulsations and high losses.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Axialturbine der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad und der Durchfluss im Rückwärtsturbinen- und Pumpbetrieb (Im Gezeitenkraftwerk rückfließendes Wasser) gesteigert wird. Die Druckpulsationen und Erschütterungen sollen wesentlich verringert werden um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten.The invention is based on the object to design an axial turbine of the type described above such that the efficiency and flow in Rückwärtsturbinen- and pumping operation (in tidal power plant refluxing water) is increased. The pressure pulsations and vibrations should be significantly reduced to ensure reliable operation.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.

Demgemäß befindet sich im oder am Ende des Saugrohres der Turbine ein zweites Leitrad, (Saugrohrleitrad), das zum Beispiel in eine bewegliche Dammtafel eingebaut, je nach Turbinendurchströmrichtung, im Saugrohr ein- oder ausgefahren ist.Accordingly, located in or at the end of the intake manifold of the turbine, a second stator (Saugrohrleitrad), which is installed, for example, in a movable dam board, depending on Turbinendurchströmrichtung, in the intake pipe or extended.

Der Erfinder hat folgendes erkannt. Im Turbinenbetrieb ist das zweite Leitrad im Saugrohr nicht nötig, bez. sogar störend. Daher wird das Saugrohrleitrad, beispielsweise in eine Dammtafel ähnliche Struktur eingebaut, angehoben und aus dem Saugrohr entfernt. Bei Rückwärtsturbinenbetrieb (umgekehrte Durchströmrichtung) erzeugt die abgesenkte Dammtafel mit Leitrad im Saugrohr eine Drallströmung mit cuE. Die Laufradanströmung wird dadurch verbessert. Die hydraulische Belastung des Laufrades wird verbessert und die Kavitationsgefahr verringert. Zusätzlich reduziert sich nach der Eulerschen Turbinengleichung die Umfangskomponete cuA der Laufradabströmung. Nach Gleichung 1 ergibt sich –uA·cuA = uE·cuE – g·H (3) The inventor has recognized the following. In turbine operation, the second stator is not necessary in the intake manifold, ref. even disturbing. Therefore, the Saugrohrleitrad, similar, for example, in a dam board Structure installed, lifted and removed from the suction tube. In backward turbine operation (reverse flow direction), the lowered dam plate with stator in the intake manifold generates a swirl flow with cu E. The impeller flow is thereby improved. The hydraulic load on the impeller is improved and the risk of cavitation is reduced. In addition, according to the Euler turbine equation, the circumferential component cu A of the impeller outflow is reduced. Equation 1 yields -U A · cu A = u E · cu E - g · H (3)

Je nach Größe der im Saugrohrleitrad erzeugten Drallströmung wird die Umfangskomponente der Laufradabströmung wesentlich reduziert. Dadurch wird die sehr schlechte Anströmung der primären Leitschaufeln (2) vermieden. Die Erschütterungen und Druckpulsationen werden verringert und der Wirkungsgrad steigt an. Der Durchfluss im Rückwärtbetrieb wird erhöht und das Staubecken schneller gefüllt.Depending on the size of the swirl flow generated in Saugrohrleitrad the circumferential component of the impeller flow is substantially reduced. This eliminates the very bad flow of the primary vanes ( 2 ) avoided. The vibrations and pressure pulsations are reduced and the efficiency increases. The flow in the reverse mode is increased and filled the reservoir faster.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert werden. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt.The invention will be explained in more detail by way of example with reference to the drawings. It shows in detail the following.

1 zeigt eine Rohrturbine im Turbinenbetrieb. Der Wasserspiegel ist am Eintritt höher als am Saugrohraustritt. Das Wasser umströmt die Generatorbirne (3). Im primären Leitrad (2) entsteht eine Drallströmung, die im Laufrad (1) im Wesentlichen abgebaut wird. Im Saugrohr (4) ist wieder nahezu drallfreie Strömung vorhanden. Das zweite Leitrad (6) (Saugrohrleitrad), ist außerhalb der Saugrohrströmung im Dammtafelkasten. 1 shows a tube turbine in turbine mode. The water level is higher at the entrance than at the Saugrohraustritt. The water flows around the generator bulb ( 3 ). In the primary stator ( 2 ) creates a swirl flow in the impeller ( 1 ) is substantially degraded. In the intake manifold ( 4 ) is again almost swirl-free flow available. The second stator ( 6 ) (Saugrohrleitrad), is outside the Saugrohrströmung in Dammtafelkasten.

2 zeigt eine Rohrturbine im Rückwärtsbetrieb bei umgekehrter Fließrichtung. Der Wasserspiegel am Saugrohraustritt ist höher als der Wasserspiegel auf der Generatorseite. Die Dammtafel mit eingebautem Saugrohrleitrad (6) ist abgesenkt. Das Wasser strömt ins Saugrohr ein. Beim Durchströmen der Dammtafel mit dem Saugrohrleitrad wird eine Drallströmung erzeugt. Das Laufrad (1) wird besser angeströmt. Der im Laufrad erzeugte Austrittsdrall ist reduziert und wird im primären Leitrad (2) weiter verringert. 2 shows a tube turbine in reverse operation in reverse flow direction. The water level at the suction pipe outlet is higher than the water level on the generator side. The dam board with built-in Saugrohrleitrad ( 6 ) is lowered. The water flows into the intake manifold. As it flows through the dam board with the Saugrohrleitrad a swirl flow is generated. The impeller ( 1 ) flows better. The spin generated in the impeller is reduced and is in the primary stator ( 2 ) further reduced.

3 zeigt die quadratische Dammtafel (7) mit eingebautem Saugrohrleitrad für ein Saugrohr mit Kreisquerschnitt. Die Dammtafel wird seitlich in den Dammbalkenschitzen beim Absenken geführt. Die Leitschaufeln (8) können feststehend oder auch um Achsen drehbar sein. Mit Zwischenringe (9) als Lagerung kann die Anzahl der Leitschaufel in jedem Kreisring/Kreisringsegment variieren. Die Leitschaufeln werden für andere Saugrohrquerschnittsformen entsprechend optimal in der Dammtafel verteilt und gelagert. Das Saugrohrleitrad kann auch entsprechend in eine Dammbalkenkonstruktion integriert sein. 3 shows the square dam board ( 7 ) with built-in Saugrohrleitrad for a suction tube with circular cross-section. The dam board is guided laterally in the Dammbalkenschitzen when lowering. The vanes ( 8th ) may be fixed or rotatable about axes. With intermediate rings ( 9 ) as storage, the number of vanes in each annulus / annulus may vary. The guide vanes are optimally distributed and stored in the dam board for other Saugrohrquerschnittsformen accordingly. The Saugrohrleitrad may also be integrated into a dam beam construction accordingly.

Stand der Technik:State of the art:

Im Saugrohr befestigte Rippen, sogenannte Fins werden in Francisturbinen bereits seit Jahren als Behelf zur Reduktion der Druckpulsationen und Wirkungsgradverbesserung im Teillastbetrieb eingesetzt. Radial zur Saugrohrwand ein- und ausfahrbare Rippen oder Leitschaufen sind eine Weiterentwicklung zur Verringerung der Nachteile im Optimal- und Volllastbetrieb.Fins mounted in the intake manifold, so-called fins, have been used in Francis turbines for years as a means of reducing pressure pulsations and improving efficiency in part-load operation. Radial to the intake manifold wall retractable ribs or guide vanes are a further development to reduce the disadvantages in optimal and full load operation.

Ebenso sind radial zur Saugrohrwand einfahrbare Rippen oder Leitschaufen zur Stabilisierung der Pumpenkennlinie beim Anfahren von Pumpen bekannt.Likewise, retractable ribs or guide vanes for stabilizing the pump characteristic curve when starting pumps are known radially to the intake manifold wall.

Die oben genannten Lösungen sind meist nur Notbehelf mit entsprechen Nachteilen im Wirkungsgrad, Kavitation und Leistung. Sie beeinflussen den Drall der Saugrohrströmung nur unwesentlich oder lokal.The solutions mentioned above are usually only a makeshift solution with corresponding disadvantages in terms of efficiency, cavitation and performance. They affect the swirl of Saugrohrströmung only insignificantly or locally.

Radial einfahrbare Leitschaufeln sind sehr hoch mechanisch belastet, da sie einseitig in der Saugrohrwand gelagert sind. Zusätzlich neigen die Leitschaufeln zu starken Eigenschwingungen und Vibrationen. Die Leitschaufelprofile müssen dick und massiv ausgeführt werden. Die Länge der Leitschaufeln ist begrenzt.Radial retractable vanes are very highly mechanically loaded because they are mounted on one side in the intake manifold wall. In addition, the vanes are prone to strong natural vibration and vibration. The vane profiles must be thick and solid. The length of the vanes is limited.

Für Axialturbinen in Gezeitenkraftwerke mit hohem Wirkungsgrad und großem Durchfluss sind die bekannten Lösungen nicht geeignet und wegen hoher Kosten und Platzbedarf auch nicht sinnvoll.For axial turbines in tidal power plants with high efficiency and high flow, the known solutions are not suitable and also not useful because of high costs and space requirements.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10100963 A1 [0001] DE 10100963 A1 [0001]

Claims (6)

Wasser-Turbine oder -Pumpe oder -Pumpturbine mit Leitrad (2) und Laufrad (1). Die Schaufeln des Leitrades sind an der Generatorbirne/Innenwand und Außenwand gelagert. 1.1 mit einem weiteren, aus mehreren Leitschaufeln bestehendem Leitrad (6) im Saugrohr, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 1.2 Das Saugrohrleitrad, bestehend aus Leitschaufeln, Leitschaufelbefestigungen und -lagerungen, ist beweglich und kann in das Saugrohr beziehungsweise in die Saugrohrströmung ein- und ausgefahren werden. 1.3 Das Ein- und Ausfahren des Saugrohrleitrads erfolgt in vertikaler oder seitlicher Richtung. Der gesamte Saugrohrquerschnitt wird durchfahren.Water turbine or pump or pump turbine with stator ( 2 ) and impeller ( 1 ). The blades of the stator are mounted on the generator bulb / inner wall and outer wall. 1.1 with another, consisting of several vanes stator ( 6 ) in the intake manifold, characterized by the following features: 1.2 The Saugrohrleitrad, consisting of vanes, Leitschaufelbefestigungen and bearings, is movable and can be retracted and extended in the intake manifold or in the Saugrohrströmung. 1.3 The retraction and extension of the Saugrohrleitrads takes place in the vertical or lateral direction. The entire intake manifold cross section is traversed. Leitrad im Saugrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln in eine bewegliche Dammtafel oder bewegliche Trägerkonstruktion eingebaut sind.Guide wheel in the intake manifold according to claim 1, characterized in that the guide vanes are installed in a movable dam board or movable support structure. Die Leitschaufeln im Leitrad nach Anspruch 1 und 2 können in Anzahl und Geometrie über Umfang und Höhe des Leitrades variieren.The guide vanes in the stator according to claim 1 and 2 may vary in number and geometry over the circumference and height of the stator. Leitrad im Saugrohr nach Anspruch 1, 2 und 3, mit um Achsen drehbaren Leitschaufeln.Guide wheel in the intake manifold according to claim 1, 2 and 3, with rotating about axes guide vanes. Die Leitschaufeln im Leitrad nach Anspruch 1 bis 4 können in einem oder mehreren Zwischenringen (9) gelagert werden.The guide vanes in the stator according to claim 1 to 4 can in one or more intermediate rings ( 9 ) be stored. Die Leitschaufeln im Leitrad nach Anspruch 1 bis 5 werden im vollständig ausgefahrenen Zustand nicht von der Strömung benetzt.The guide vanes in the stator according to claim 1 to 5 are not wetted in the fully extended state of the flow.
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