DE10332356B4 - Hydropower plant - Google Patents

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Abstract

Wasserkraftanlage
mit einer Wasserturbine;
mit einem der Wasserturbine nachgeschalteten Saugrohr (6);
mit einem dem Saugrohr (6) nachgeschalteten, offenen Strömungskanal der den aus dem Saugrohr (6) austretenden Wasserstrom aufnimmt und der einen Kanalboden (7.1) mit Seitenwänden aufweist;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
es ist ein Abdeckkörper (8) vorgesehen, der einen an das Saugrohr (6) anschließenden Bereich des Strömungskanals (7) mit einer Abdeckfläche (8.4) abdeckt;
die Abdeckfläche (8.4) des Abdeckkörpers (8) ist derart gestaltet, dass sich der abgedeckte Kanalabschnitt – in einer vertikalen, in Strömungsrichtung verlaufenden Ebene gesehen – erweitert.Hydropower plant
with a water turbine;
with a suction pipe (6) connected downstream of the water turbine;
with an inlet pipe (6) downstream, open flow channel of the suction pipe (6) exiting water flow and having a channel bottom (7.1) with side walls;
characterized by the following features:
a covering body (8) is provided which covers a region of the flow channel (7) adjoining the suction pipe (6) with a covering surface (8.4);
the covering surface (8, 4) of the covering body (8) is designed in such a way that the covered channel section widens, viewed in a vertical plane running in the direction of flow.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft eine Wasserkraftanlage mit einer Wasserturbine, insbesondere mit einer Francisturbine.The Invention relates to a hydropower plant with a water turbine, especially with a Francis turbine.

An solche Wasserkraftanlagen werden zunehmend höhere Anforderungen gestellt, besonders bezüglich des Wirkungsgrades, des Arbeitsbereiches und des störungsfreien Betriebes. Bei Neuanlagen ist man bestrebt, mit gegebenem Investitionsaufwand eine möglichst hohe Leistung zu erzielen, und bei bestehenden Anlagen versucht man, durch Wirkungsgradoptimierung die Leistung zu steigern.At Such hydropower plants are increasingly demanding, especially regarding the efficiency, the work area and the trouble-free Operation. With new plants one strives, with given expenditure of capital one preferably to achieve high performance, and tried on existing equipment to increase performance by optimizing efficiency.

Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, durch entsprechende Gestaltung der Strömungswege die genannten Ziele zu erreichen. Besondere Aufmerksamkeit gilt dabei der Turbine selbst, vor allem der Leitschaufeln und Laufschaufeln. Auch die Gestaltung des Druckrohres, das einer jeden Turbine vorgeschaltet ist, und des Saugrohres, das ihr nachgeschaltet ist, wurden untersucht und optimiert. Ausgestaltungen von Saugrohren sind beispielsweise aus der DE 406 017 C1 der DE 323 084 C und der US 20 42 071 bekannt geworden. Dennoch wären weitere Verbesserungen wünschenswert.Numerous efforts have been made to achieve the stated goals by appropriate design of the flow paths. Particular attention is paid to the turbine itself, especially the vanes and blades. The design of the pressure tube, which is upstream of each turbine, and the suction pipe, which is downstream of her, were examined and optimized. Embodiments of suction pipes are for example from the DE 406 017 C1 of the DE 323 084 C and the US 20 42 071 known. Nevertheless, further improvements would be desirable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, konventionelle Wasserkraftanlagen noch weiter zu optimieren, insbesondere bezüglich einer Leistungssteigerung.Of the Invention is based on the object, conventional hydropower plants to further optimize, in particular with regard to an increase in performance.

Diese Aufgabe wird durch eine Wasserkraftanalge mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.These Task is by a hydropower plant with the characteristics of Claim 1 solved.

Demgemäß wird dem Saugrohr ein Körper nachgeschaltet, der einen gewissen Bereich des sich an das Saugrohr anschließenden Strömungskanales abdeckt. Der Strömungskanal ist im Allgemeinen ein Flussbett oder ein anderes offenes Gerinne mit einem Kanalboden und mit Seitenwänden. Der Körper sollte sich möglichst unmittelbar an das stromabwärtige Austrittsende des Saugrohres anschließen. Seine untere Fläche, die dem Kanalboden zugewandt ist, sollte derart gestaltet sein, dass sich der Kanalquerschnitt – in einer senkrechten, in Strömungsrichtung verlaufenden Schnittebene gesehen – erweitert. Hierdurch erfährt die Strömung im abgedeckten Kanalbereich eine Verzögerung.Accordingly, the Suction tube downstream of a body, covering a certain area of the flow channel adjoining the suction pipe. The flow channel is generally a river bed or another open channel with a channel bottom and side walls. The body should be as possible immediately to the downstream Connect the outlet end of the suction pipe. Its lower surface, the the channel bottom facing, should be designed such that the channel cross section - in a vertical, in the flow direction extending cutting plane seen - extended. As a result, learns the flow a delay in the covered channel area.

Es ist ja bereits der Zweck des Saugrohres, eine Verzögerung der aus dem Turbinenlaufrad austretenden Wasserströmung zu erreichen. Zu diesem Zwecke erweitert sich das Saugrohr im Allgemeinen in Strömungsrichtung. Der Abdeckkörper wird derart angeordnet, dass die stromaufwärtige Kante der Abdeckfläche wenigstens annähernd auf der Höhe des oberen Scheitelpunktes der Saugrohr-Austrittsöffnung liegt. Die Abdeckfläche des Abdeckkörpers sollte derart gestaltet sein, dass ein kontinuierlicher Übergang der Strömung vom Saugrohr in den nachgeschalteten, abgedeckten Kanalbereich stattfindet. Die Abdeckfläche wird im Allgemeinen in Strömungsrichtung und in einem Vertikalschnitt gesehen ansteigen.It is already the purpose of the suction tube, a delay of To reach from the turbine runner exiting water flow. For this purpose The intake manifold generally widens in the flow direction. The cover body is arranged such that the upstream edge of the cover surface at least nearly at the height the upper vertex of the suction pipe outlet opening is located. The cover surface of the cover body should be designed such that a continuous transition the flow takes place from the suction pipe in the downstream, covered channel area. The coverage area is generally in the flow direction and rise in a vertical section.

Gemäß einem weiteren Gedanken der Erfindung ist der Abdeckkörper als Schwimmkörper (Ponton) ausgebildet, der somit auf dem Unterwasser schwimmt. Um auch bei Schwankungen des Pegels des Unterwassers stets die richtige Höhe zu haben, kann der Abdeckkörper heb- und senkbar sein. Er kann in mehrere Kammern unterteilt sein, die mit Wasser oder einem anderen Medium füll- und entleerbar sind, womit sich die Höhe bestimmen lässt. Außerdem lässt sich die Neigung der Abdeckfläche einstellen, wenn der Innenraum des Abdeckkörpers in zwei oder mehrere Kammern unterteilt ist, die in Strömungsrichtung gesehen hintereinander gesehen liegen. Das Oberziel, das mit der Erfindung erreicht wird, besteht in der weiteren Verringerung der Geschwindigkeit der Strömung, die aus dem Saugrohr austritt.According to one Another idea of the invention is the cover body as a floating body (pontoon) trained, who thus floats on the underwater. To also at Fluctuations in the level of the underwater can always have the correct height the cover body be raised and lowered. It can be divided into several chambers, which can be filled and emptied with water or another medium, which the height determine. In addition, can be adjust the inclination of the cover surface, when the interior of the cover body in two or more chambers is divided in the flow direction seen seen in a row. The overall goal with the Is achieved in the invention, consists in the further reduction of Speed of the flow, which emerges from the suction tube.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen Folgendes dargestellt:The The invention is explained in more detail with reference to the drawings. This is in detail The following is shown:

1 zeigt eine Francisturbine als Bestandteil einer erfindungsgemäßen Wasserkraftanlage in einem Axialschnitt. 1 shows a Francis turbine as part of a hydropower plant according to the invention in an axial section.

2 zeigt in schematischer Darstellung ein Wasserkraftwerk, das in einem Flusslauf eingebaut ist. 2 shows a schematic representation of a hydroelectric power plant, which is installed in a river.

3 ist eine Draufsicht auf die Austrittsöffnungen dreier Saugrohre mit zugehörenden Abdeckkörpern. 3 is a plan view of the outlet openings of three suction tubes with associated cover bodies.

Die in 1 gezeigte Francisturbine ist wie Folgt aufgebaut:
Ein Laufrad 1 umfasst eine Mehrzahl von Laufschaufeln 2. Das Laufrad 1 ist um eine Drehachse 3 drehbar. Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 4 umgeben. Außerdem ist dem Laufrad 1 ein Kranz von Leitschaufeln vorgeschaltet.In the 1 Francis turbine shown is constructed as follows:
An impeller 1 includes a plurality of blades 2 , The impeller 1 is about a rotation axis 3 rotatable. Wheel 1 is from a volute casing 4 surround. Besides, the impeller is 1 a ring of vanes upstream.

Die Turbine weist ein Saugrohr 6 auf. Dieses umfasst einen Eintrittsdiffusor 6.1 mit einem sich hieran anschließenden Krümmer 6.2 und einem sich wiederum hieran anschließenden Saugkasten 6.3.The turbine has a suction pipe 6 on. This includes an entrance diffuser 6.1 with a subsequent manifold 6.2 and in turn a subsequent suction box 6.3 ,

Der Saugkasten 6.3 hat einen Strömungsquerschnitt, der sich in Strömungsrichtung erweitert. Hierdurch kommt es zu einer Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit. Diese beträgt bei der Austrittsöffnung 6.3.1 des Saugkastens 6.3 v1. Die Strömungsgeschwindigkeit am Ende des überdeckten Kanalbereiches beträgt v2. v2 ist kleiner als v1.The suction box 6.3 has a flow cross-section that widens in the flow direction. This results in a reduction of the flow velocity. This is at the outlet opening 6.3.1 of the suction box 6.3 v 1 . The flow velocity at the end of the covered channel region is v 2 . v 2 is less than v 1 .

2 zeigt die Einbausituation der genannten Bauteile, nämlich Turbine mit Saugrohr. Wie man sieht, schließt sich an das Saugrohr 6 ein Strömungskanal 7 an, im vorliegenden Falle ein Flussbett. Dieses weist einen Kanalboden 7.1 auf. Das entscheidende erfindungsgemäße Bauteil ist ein Abdeckkörper 8. Dieser schwimmt auf dem Unterwasser und taucht in dieses ein. Siehe den Pegel 9 des Unterwassers. 2 shows the installation situation of said components, namely turbine with intake manifold. As you can see, it connects to the intake manifold 6 a flow channel 7 on, in this case, a river bed. This has a channel bottom 7.1 on. The decisive component according to the invention is a covering body 8th , This swims on the underwater and dives into this one. See the level 9 of the underwater.

Das Saugrohr 6 ist in Beton gegossen. Siehe das Betongehäuse 10 mit der stromabwärtigen Endfläche 10.1 des Krafthauses. Die Austrittsöffnung 6.3.1 ist rechteckig oder kreisrund. Man erkennt unter der Austrittsöffnung 6.3.1 einen Absatz 10.2 als Übergang zum Kanalboden 7.1. Dieser Absatz kann aber auch entfallen, so dass der Übergang zwischen Saugrohr 6 und Kanalboden 7.1 kontinuierlich ist.The suction tube 6 is poured in concrete. See the concrete housing 10 with the downstream end surface 10.1 of the powerhouse. The outlet opening 6.3.1 is rectangular or circular. One recognizes under the outlet opening 6.3.1 a paragraph 10.2 as a transition to the canal floor 7.1 , This paragraph can also be omitted, so that the transition between intake manifold 6 and canal floor 7.1 is continuous.

Der Abdeckkörper 8 ist im vorliegenden Falle ein Hohlkörper. Sein Innenraum ist in drei Kammern 8.1, 8.2, 8.3 unterteilt. Die drei Kammern sind füll- und entleerbar, am besten mit Wasser.The cover body 8th is in this case a hollow body. Its interior is in three chambers 8.1 . 8.2 . 8.3 divided. The three chambers can be filled and emptied, preferably with water.

Wie man sieht, steigt die Abdeckfläche 8.4 des Abdeckkörpers 8 in Strömungsrichtung an. Sie bildet somit mit der Horizontalen und damit auch mit dem Kanalboden 7.1 einen spitzen Winkel. Der Winkel kann in der Größenordnung zwischen einem und zehn Grad betragen, gegebenenfalls auch mehr.As you can see, the cover area rises 8.4 of the cover body 8th in the flow direction. It thus forms with the horizontal and thus also with the channel bottom 7.1 an acute angle. The angle can be on the order of one to ten degrees, possibly even more.

Der Abdeckkörper 8 ist ortsfest verankert. Er kann zwar eine Auf- und Abwärtsbewegung ausführen, aber nicht davon schwimmen. Er kann am Krafthaus verankert sein, beispielsweise an dessen Endfläche 10.1. Er kann aber auch am Flussbett verankert sein, beispielsweise an den einander gegenüberliegenden Böschungswänden des Flusses.The cover body 8th is firmly anchored. He can perform an up and down movement, but not swim from it. It can be anchored to the powerhouse, for example at its end face 10.1 , But it can also be anchored to the riverbed, for example, on the opposite embankment walls of the river.

Die geodätische Höhe des Abdeckkörpers 8 lässt sich durch Füllen oder Entleeren der Kammern 8.1 bis 8.3 einstellen. Es lässt sich aber auch gleichzeitig die Neigung der Abdeckfläche 8.4 einstellen. Will man den Neigungswinkel verkleinern, so füllt man entsprechend mehr Flüssigkeit in die letzte Kammer 8.3, oder man entnimmt etwas Flüssigkeit aus der Kammer 8.1.The geodetic height of the cover body 8th can be achieved by filling or emptying the chambers 8.1 to 8.3 to adjust. But it can also simultaneously the inclination of the cover 8.4 to adjust. If you want to reduce the angle of inclination, you fill in accordance with more liquid in the last chamber 8.3 or you remove some liquid from the chamber 8.1 ,

Der Abdeckkörper 8 kann aus jeglichem Material bestehen, beispielsweise aus Stahl oder aus Beton. Handelt es sich um einen Schwimmkörper, so muss er lediglich dicht sein gegen den Eintritt von Wasser von außen her.The cover body 8th can be made of any material, such as steel or concrete. If it is a floating body, it must only be tight against the entry of water from the outside.

Im Allgemeinen weist eine Wasserkraftanlage mehrere Turbinen auf, die in Strömungsrichtung gesehen nebeneinander liegen. Die Saugrohre der Turbinen verlaufen dann – in Draufsicht gesehen – parallel zueinander.in the Generally, a hydropower plant has several turbines, the seen in the flow direction lie next to each other. The suction pipes of the turbines then run - in plan view seen - parallel to each other.

In diesem Falle kann jedem Saugrohr ein eigener Abdeckkörper zugeordnet werden. Siehe 3. Man erkennt dort drei nebeneinander liegende Saugrohre beziehungsweise deren Austrittsöffnungen 6.3.1. Diese sind kreisrund. Die einzelnen Abdeckkörper sind derart gestaltet, dass ihre Abdeckflächen 8.4 dieselbe Krümmung haben, wie die Austrittsöffnungen 6.3.1.In this case, each intake manifold can be assigned a separate cover body. Please refer 3 , It can be seen there three adjacent suction pipes or their outlet openings 6.3.1 , These are circular. The individual covering bodies are designed such that their covering surfaces 8.4 have the same curvature as the outlet openings 6.3.1 ,

Es ist natürlich auch denkbar, dass die Austrittsöffnungen 6.3.1 der einzelnen Saugrohre 6 einen anderen Querschnitt haben, der von der runden Form abweicht. In Frage käme beispielsweise ein ovaler Querschnitt. In diesem Falle wären die Abdeckflächen 8.4 der Abdeckkörper 8 entsprechend zu gestalten.It is of course also conceivable that the outlet openings 6.3.1 the individual suction pipes 6 have a different cross-section, which deviates from the round shape. In question, for example, an oval cross section would come. In this case, the cover surfaces would be 8.4 the cover body 8th to design accordingly.

Durch die Erfindung wird im einzelnen Folgendes erzielt:
Die Strecke der kontinuierlichen Wasserführung im Auslassbereich wird vergrößert. Das Saugrohr wird quasi verlängert, und zwar mit extrem einfachen Mitteln. Die Strömung wird im Austrittsbereich nach dem Saugrohr durch den überdeckten Kanalbereich verzögert. Die Austrittsgeschwindigkeit der Strömung unmittelbar nach dem Laufrad wird verzögert.The following is achieved in detail by the invention:
The distance of the continuous water flow in the outlet area is increased. The suction tube is quasi extended, and with extremely simple means. The flow is delayed in the exit area after the suction tube through the covered channel area. The exit velocity of the flow immediately after the impeller is delayed.

Die Kraftwerksleistung und der Wirkungsgrad werden erhöht.The Power plant performance and efficiency are increased.

Der Abdeckkörper stellt ein weiteres Mittel dar, um den Betrieb der Turbine zu optimieren.Of the covering represents another means to optimize the operation of the turbine.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen lassen sich sowohl bei Neuanlagen als auch bei bestehenden Anlagen anwenden.The inventive measures can be used both for new plants and existing plants apply.

Die Erfindung lässt sich auf sehr einfache und kostengünstige Weise verwirklichen.The Invention leaves Realize yourself in a very simple and cost-effective way.

Von allen Vorteilen dürfte noch der entscheidende Vorteil die Mehrleistung sein, die durch die Erfindung gegenüber konventioneller Bauart erzielt wird. Durch Anwendung der Erfindung kann mit einer Mehrleistung der einzelnen Turbine in der Größenordnung von 1 bis 2 Prozent gerechnet werden.From all the benefits Still the key advantage is the extra power that comes through the invention over conventional design is achieved. By applying the invention can with an extra power of each turbine of the order of magnitude from 1 to 2 percent.

Die Erfindung lässt sich bei allen Arten von durchströmten Wasserturbinen anwenden.The Invention leaves to apply to all types of water turbines.

Claims (8)

Wasserkraftanlage mit einer Wasserturbine; mit einem der Wasserturbine nachgeschalteten Saugrohr (6); mit einem dem Saugrohr (6) nachgeschalteten, offenen Strömungskanal der den aus dem Saugrohr (6) austretenden Wasserstrom aufnimmt und der einen Kanalboden (7.1) mit Seitenwänden aufweist; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: es ist ein Abdeckkörper (8) vorgesehen, der einen an das Saugrohr (6) anschließenden Bereich des Strömungskanals (7) mit einer Abdeckfläche (8.4) abdeckt; die Abdeckfläche (8.4) des Abdeckkörpers (8) ist derart gestaltet, dass sich der abgedeckte Kanalabschnitt – in einer vertikalen, in Strömungsrichtung verlaufenden Ebene gesehen – erweitert.Hydropower plant with a water turbine; with a suction pipe downstream of the water turbine ( 6 ); with a suction tube ( 6 ) downstream, open flow channel of the from the suction tube ( 6 ) receives emerging water flow and a channel bottom ( 7.1 ) having side walls; characterized by the following features: it is a covering body ( 8th ), one to the suction tube ( 6 ) adjoining region of the flow channel ( 7 ) with a covering surface ( 8.4 ) covers; the cover area ( 8.4 ) of the cover body ( 8th ) is designed such that the covered channel portion - seen in a vertical, seen in the direction of flow plane - expands. Wasserkraftanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdeckkörper (8) ein Schwimmkörper ist.Hydroelectric power plant according to claim 1, characterized in that the covering body ( 8th ) is a float. Wasserkraftanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwimmkörper derart verankert ist, dass er eine Aufwärtsbewegung und eine Abwärtsbewegung ausführen kann, in Strömungsrichtung aber ortsfest oder annähernd ortsfest ist.Hydroelectric power plant according to claim 2, characterized that the float anchored so that it is an upward movement and a downward movement To run can, in the flow direction but stationary or approximate is stationary. Wasserkraftanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenraum des Abdeckkörpers (8) in zwei oder mehrere Kammern (8.1, 8.2, 8.3 unterteilt ist, dass die Kammern (8.1, 8.2, 8.3) in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind, dass die Kammern (8.1, 8.2, 8.3) füll- und entleerbar sind, und dass eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die den Vorgang des Füllens und des Entleerens zur Erzielung einer bestimmten geodätischen Höhe und/oder Neigung der Abdeckfläche (8.4) steuert.Hydroelectric power plant according to claim 3, characterized in that the interior of the cover body ( 8th ) into two or more chambers ( 8.1 . 8.2 . 8.3 divided is that the chambers ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) are arranged one behind the other in the direction of flow, that the chambers ( 8.1 . 8.2 . 8.3 ) and that a control device is provided, which the process of filling and emptying to achieve a certain geodetic height and / or inclination of the covering surface ( 8.4 ) controls. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abdeckkörper (8) unmittelbar an die Austrittsöffnung (6.3.1) des Saugrohres (6) angeschlossen ist.Hydroelectric power plant according to one of claims 1 to 4, characterized in that the covering body ( 8th ) directly to the outlet opening ( 6.3.1 ) of the suction tube ( 6 ) connected. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckfläche (8.4) des Abdeckkörpers (8) wenigstens annähernd der Kontur der stromführenden Fläche des Saugrohres (6) in dessen oberem Bereich entspricht.Hydroelectric power plant according to one of claims 1 to 5, characterized in that the covering surface ( 8.4 ) of the cover body ( 8th ) at least approximately the contour of the current-carrying surface of the suction tube ( 6 ) in its upper area corresponds. Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: die Wasserkraftanlage umfasst eine Mehrzahl von Wasserturbinen und Saugrohren (6); jedem Saugrohr (6) ist ein separater Abdeckkörper (8) zugeordnet.Hydropower plant according to one of claims 1 to 6, characterized by the following features: the hydropower plant comprises a plurality of water turbines and suction pipes ( 6 ); each suction pipe ( 6 ) is a separate cover body ( 8th ). Wasserkraftanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: die Wasserkraftanlage umfasst eine Mehrzahl von Wasserturbinen mit Saugrohren (6); allen Saugrohren (6) ist ein gemeinsamer Abdeckkörper (8) zugeordnet.Hydroelectric power plant according to one of claims 1 to 6, characterized by the following features: the hydropower plant comprises a plurality of water turbines with suction pipes ( 6 ); all suction pipes ( 6 ) is a common covering body ( 8th ).
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