DE1503232A1

DE1503232A1 - Zweistufige hydraulische UEberdruckturbine

Info

Publication number: DE1503232A1
Application number: DE19661503232
Authority: DE
Inventors: Ulith Dipl-Ing Peter
Original assignee: JM Voith GmbH; Neyrpic SA
Current assignee: JM Voith GmbH; Neyrpic SA
Priority date: 1966-01-22
Filing date: 1966-01-22
Publication date: 1970-10-08
Also published as: CH444084A; GB1108069A; AT282501B; FR1518753A; ES335862A1

Description

ap/A 2706 1 £ η Q O O ο Etablissements'Heyrpic

Kennwort: "Kombit urbme" 'Ov O ZJ c Grenoble (Frankreich)

und

J. M. Voith GmbH Heidenheim/Brenz

Zweistufige hydrauliache Überdruckturbine

Die Erfindung betrifft eine zweistufige hydrauliache Überdruckturbine mit einer als Zentripetal- und einer als Zentrifugalstufe ausgebildeten Stufe.

Derartige Turbinen kommen insbesondere für einen apezifischen Drehzahlbereich in Frage, der zwischen der aus hydraulischen Gründen gegebenen oberen Grenze für eine vieldüsige Freistrahlturbine von

etwa η « 48 und der unteren wirtschaftlichen Grenze für einstua

fige Francisturbinen von etwa η = 62 liegt. Einstufige Francisturbinen mit einer noch kleineren spezifischen Drehzahl verusachen wegen der sich dabei ergebenden extrem schmalen Laufräder mit starker radialer Entwicklung und kleinem Saugmund-Durchmesser relativ hohe Radseitenreibungs- und Spaltwasserverluate und damit schlechte Wirkungsgrade, weshalb sie normalerweise nicht ausgeführt werden.

Es ist der Vorschlag einer zweistufigen Turbine bekannt, bei der jede Stufe zwei gesonderte Arbeitaachaufelräder enthält, von denen eines als Reaktionsrad zentrifugal und das andere zentripetal nach dem Pelton-Prinzip beaufschlagt wird. Die Turbine weist keinerlei Leitschaufeln auf und würde kaum eine nennenswerte Leistung abgeben (DBP 349 531).

Bei den bekannten zweistufigen Zentripetal-Francisturbinen (Schweizer Patentschriften 39 089 und 92 792) wird in der Praxis aus Kostengründen nur eine der beiden im übrigen gleichartig ausgebildeten Stufen geregelt, und zwar vorzugsweise die zweite Stufe. Dabei ist die Aufteilung der Gesamtfallhöhe auf die beiden Stufen bekanntlich von der Öffnung des beweglichen Leitapparat es abhängig. Die öffnung des festen Leitapparates wird üblicherweise derart gewählt, daß der Fallhöhenanteil beider Stufen in einem Betriebspunkt mit relativ hohem Bsaufschlagungsgrad, etwa zwischen dem Vollaatpunkt und dem in der Regel darunterliegenden Punkt besten

009841 /0OQ U "^*

:ei; gleich ist. Mit abnehmender Öffnung dee geregelten α übernimmt dann die geregelte Turbinenstufe einen ■·■;r größer werdenden Anteil der Gesamtfallhöhe, während e 5'ai Ihöhe nant eil der ungeregelten Stufe entsprechend

I>3j h■.;_·;xüii& s gr ad verlauf über der Beaufschlagung der geregelten 3i;i; . ist otv/a gleich demjenigen bei einer einstufigen Prancie- zur'.c.y-ja gleicher spezifischer Drehzahl, d.h. er fällt vom Punkt ■υ, ; Wirkungsgrades bis etwa 40 % der Beaufschlagung relativ i: ü a"i>» um dann big zum Leerlauf punkt, der etwa erst bei einer Tief; . --,alagung von nur wenigen Prozent erreicht wird, wesentlich st«"r":.;.2ϊ- h£i>fallen, während der Wirkungsgrad der ungeregelten St u- i's " „ r. "Tornherein wesentlich steiler abfällt und bereite bei ca. JO ν "C-avf schlagung den Leerlauf punkt, d.h.^» 0, erreicht. Aus diei r letzteren Tatsache ergibt es sich, daß der gesamte resultierende Wirkungsgrad einer solchen zweistufigen, einstufig gerege-t.tn -irmicisturbine, der sich aus der Summe der Produkte der jewe. "ig-u anteiligen Fallhöhen mit dem zugehörigen Wirkungsgrad di-γίίΛ.α.Γτ uuiuh die Gesamtfallhöhe ergibt, nicht besonders gut ist.

Eir, tve^uerer Nachteil der bekannten zweistufigen Turbinen besteht dar:'.?:·., laß bei diesen,ähnlich wie bei mehrstufigen Pumpen, zwischen r=^w Stufen ein sogenannter Umlenker vorgesehen sein muß, in ItHr. das Betriebsmittel nach dem Verlassen des Saugmundes der erc' er< 3 :,:i£e nach außen geleitet wird, damit es wieder radial und zentripetal gerichtet in die zweite Stufe einströmen kann. Hierdurch ergibt sich nicht nur ein relativ großer baulicher Aufwand, sonderr man erhält auch den Wirkungsgrad negativ beeinflussende Reiovü3.gsverluste.

Diese fcrwähnten Nachteile dürften die wesentlichen Gründe dafür sein j daß derartige zweistufige Turbinen nur selten ausgeführt worden sind. Aufgabe der Erfindung ist es, eine zweistufige hydraulische Überdruckturbine zu schaffen, welche gegenüber den bekannten derartigen Turbinen einen über einen größeren Teillaefbsreicli die Anwendbarkeit begünstigenden besseren Wirkungsgrad ν erlauf aufweist und die eine gedrängte und damit wirtschaftlieht* Bauweise ermöglicht.

0093*1/0004 ^ÖAD Original

Die Erfindung löat das Problem dadurch., daß die Zectripetalatufe mit eine« beweglichen und die Zentrifugalatufe mit einem festen Leitapparat ausgerüstet ist. Durch Wegfall der bei den bekannten zweistufigen Zentripetalturbinen erforderlichen Umlenker werden die Reibungsverluste der Strömung vermindert, was sich bereits im Sinne einer Wirkungsgradverbeeserung auswirkt.

Eine weitere erhebliche Erhöhung des Wirkungsgrades ergibt sich daraus, daß die ungeregelte Zentripetalstufe der bekannten zweistufigen reinen Zentripetalturbine durch eine ebenfalls ungeregelte Zentrifugalstufe ersetzt wird. Darüber hinaus ergeben sich bei einer solchen erfindungsgemäßen Anlage relativ wesentlich geringere bauliche Abmessungen als bei den bisher bekannten zweistufigen Turbinen.

Dieser erfindungsgemäßen Ausbildung einer zweistufigen Überdruckturbine liegt die Erkenntnis zu Grunde, daß bei der Ausbildung der ungeregelten Stufe als Zentrifugalturbine die Charakteristiken der Kurven der Pallhöhenverteilung beider Stufen wesentlich steiler werden, d.h. daß bei Teillast der Anteil der geregelten Stufe wesentlich mehr zu- und der Anteil der ungeregelten Stufe entsprechend mehr abnimmt, als es bei einer entsprechenden einstufig geregelten zweistufigen Zentripetalturbine der Fall ist. Da weiterhin der Wirkungsgradverlaui' aer geregelten Stufe zumindest im Teillastbereich von Leerlauf bis etwa zum Optimalpunkt erheblich über dem Wirkungsgradverlauf der ungeregelten Stufe sowohl der Zentripetal- als aucn der Zentrifugalturbine liegt und sogar der Wirkungsgradverlauf der ungeregelten Zentrifugalturbine wenigstens im am meisten interessierenden Teillastbereich von etwa 50 i» Beaufschlagung bis etwa Optimalpunkt besser als derjenige der ungeregelten Zentripetalturbine ist, ergibt sich aufgrund der oben erwähnten Beziehung für den gesamten Wirkungsgrad ein erheblich höherer Gesamtwirkungsgrad, denn der höhere Teilwirkungsgrad für die geregelte Turbinenstufe schlägt wegen der als Paktor zugeordneten größeren Teilfallhöhe derselben wesentlich mehr zu Buche.

BAD ORIGINAL 009841/0004

Diese Zusammenhänge lassen sich am besten aus den Diagrammen der Figuren 1 und 2 erkennen, in welchen über der Beaufschlagung Q, jeweils bezogen auf die Beaufschlagung bei Volllast (Q max), sowohl für die bekannte zweistufige Turbine mit zwei Zentripetalstufen als auch für die erfindungsgemäße zweistufige Turbine mit einer geregelten Zentripetalstufe und einer ungeregelten Zentrifugalstufe die TeilfallhöhenR. und Hp, jeweils bezogen auf die Gesamtfallhöhe H = H, + H« (Fig. 1) und die Wirkungsgradverläufe bezogen auf den Jeweiligen maximalen Wirkungsgrad (Fig. 2) dargestellt. Index 1 gilt für die ungeregelte Stufe und Index 2 für die geregelte Stufe, während der Index P auf die Zentripetalstufe und Index F auf die Zentrifugalstufe hinweist. Index g (gleichartig) steht für die Turbine mit zwei Zentripetalstufen und Index u (ungleichartig) für die Turbine mit einer Zentripetal- und einer Zentrifugalstufe. Die strichpunktierten Linien H_{1 p} und Η« „stellen die Fallhöhenverteilung der bekannten zweistufigen Zentripetalturbine dar, während die Fallhöhenverteilung der aus Zentripetal- und Zentrifugalstufe kombinierten ungleichartigen zweistufigen Turbine durch die Kurven H_2u„ für die geregelte Zentripetalstufe und die Kurve H, _p für die ungeregelte Zentrifugalstufe dargestellt ist. Aus Fig. 1 ist unschwer zu erkennen, daß die Kurven der Fallhöhenverteilung für die ungleichartige zweistufige Turbine wesentlich steiler als diejenigen für die gleichartige zweistufige Turbine verlaufen. Aus den Wirkungsgradkurven der Fig. 2 ist zu ersehen, daß die Charakteristiken der Einzelwirkungsgrade der geregelten Zentripetalstufen sowohl für die Turbine mit

gleichartigen Stufen ( ^rrf_i;i7> ) als auch für die mit ungleichartigen Stufen ( "7^·ρ ) praktisch gleich sind. Daraus ergibt sich, daß aufgrund der wesentlich höheren Hp „-Werte im Teillastbereich für die geregelte Zentripetalstufe der erfindungsgemäßen ungleichartigen zweistufigen Turbine in der Formel für den Gesamtwirkungsgrad "η « ** der Teilwirkungs-

* ti -, ·*■ Hp grad ηη φ wesentlich mehr wiegt.

Da beim Vergleich der Charakteristiken für die ungeregelten Stufen, d.h. zwischen der Zentripetalstufe für die konventionelle

009841/0004 ,

-5- T503232

reine zweistufige Zentripetalturbine und der erfindungsgemäßen

Zentrifugalstufe außerdem festzustellen ist, daß die ungeregelte Zentrifugalturbinenstufe besonders in dem oberen Teillastbereich einen mit abnehmender Fallhöhe wesentlich schwächer abfallenden Wirkungsgradverlauf hat als die ungeregelte Zentripetalturbinenstufe der rein zentripetalen zweistufigen Turbine und in dem Bereich zwischen 50 % Beaufschlagung und Optimalpunkt die Wirkungsgradkurve für die Zentrifugalturbine ( ^₇ -p) zum Teil sogar erheblich über derjenigen der Zentripetalturbine (°7^öT> ) verläuft, wird der für die ungeregelte Stufe zwar tiefere Wert der Fallhöhe H_{1 p} zum großen Teil wieder ausgeglichen, sodaß sich zusammen mit dem wesentlich höheren Produkt der Werte für die geregelte Stufe ein Verlauf des Gesamtwirkungsgrades ^nrl_lrtu für die ungleichartige zweistufige Turbine in dem interessierenden Bereich ergibt, der erheblich höhere Werte aufweist als der Verlauf des Gesamtwirkungsgrades^_mg für die bekannte zweistufige Turbine mit zwei gleichartigen Stufen. Als Wirkungsgradgewinn ergibt sich die jeweilige Differenz zwischen den Werten ^und ^mg » ^{die zum} Beispiel für Q * 0,5 in den für einen praktischen Fall ausgelegten Kurven der Fig. 2 A^/*^_rry = 0,52, d.h. „5*2 % oder bei einer Belastung von Q = 0,4 sogar ^^/*2_m ^ss 0,76, d.h. 7#6 % betragen.

Für besonders hohe Fallhöhen oder für kleine Turbineneinheiten, wie etwa Hausturbinen in Kraftwerken mit mittleren und hohen Fallhöhen, bei denen die höchstmögliche Generatordrehzahl keine einstufige Turbine zuläßt, bildet nach einer vorteilhaften Möglichkeit der Verwirklichung des Erfindungsgedankens die Zentrifugalturbine die erste Turbinenstufe. Dabei sind vorzugsweise beide Laufräder Rücken an Rücken auf einem gemeinsamen Radkörper angeordnet. Eine solche zweistufige Turbine hat einen besonders geringen radialen Platzbedarf und es wird eine getrennte Befestigung beider Laufradzapfen auf der Welle umgangen.

Als Anfahrturbine für reversible Pumpenturbinensätze ist eine Ausführung besonders geeignet, bei welcher die Zentrifugalturbine die zweite Turbinenstufe bildet. Diese Variante hat einen besonders geringen axialen Platzbedarf.

.A 009841/0004

Uf?» au efx'rleheni daß im Vollast-Bereich die Fallhöhe der ungeregeitep Zentrifugalturbinenstufe wesentlich größer aÜe diejenige der geregelten Zentripetalturbinenstufe wird und um zu ölescte ^weck auch den Schnittpunkt H, = H₂ in Richtung auf ein klsir.f:.-rs Q, zu verschieben, ist nach einem weiteren Merkmal der Erfindung der Schaufelkreisdurchmesser am Strömungseintritt des Zentrifugallaufrades größer als derjenige am Eintritt des Zentripetallaufrades ausgebildet. Hierdurch erhält der in diesem Bereich wesentlich über dem Wirkungsgrad ^, ρ der geregelten Stufe liegende Wirkungsgrad ^η^-ρ der ungeregelten Stufe erheblich mehr Gewicht zur Beeinflussung des Gesamtwirkungsgr^des, wodurch dieser auch in diesem Bereich beträchtlich angehabt η wird.

Die Erfindung wird in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist

Fig. 3 iro Längsschnitt eine zweistufige Francisturbine mit einem ungeregelten Zentrifugallaufrad als erste Stufe und einem geregelten Zentripetallaufrad als zweite Stufe und

Fig. 4 im Längsschnitt eine zweistufige Francisturbine mit einem geregelten Zentripetallaufrad als erste Stufe und einem ungeregelten Zentrifugallaufrad als zweite Stufe.

In der Ausführung gemäß Fig. 3 ist für den Einlauf des Betriebsmittels eine halbaxiale Einlaufspirale 1 vorgesehen. Mit dem durch diese Spirale erteilten Vordrall strömt das Betriebsmittel durch die festen Stützschaufeln 2 und durch der Rcfcationshohlraum 3 in den festen Vorleitapparat 4 der zentrifugal orientierten ersten Turbinenstufe mit den Laufradschaufeln 5, die auf dem Radkörper 6 befestigt sind. Der Radkörper 6 ist auf der in dem Hauptlager 7 und dem Führungslager 8 gelagerten Welle 9 befestigt. Nachdem das Betriebsmittel das Zentrifugallaufrad 5 verlassen hat, strömt es mit einem der Belastung entsprechenden Drall über den Rotationshohlraum in die zentripetal orientierte zweite Turbinenstufe, die in der bei Francisturbinen üblichen Weise aus dem Stützschaufel-

009841/0004 ·/.

ring 11, beweglichem Leitapparat 12 und Francislaufrad 13 besteht. Das Prancislaufrad 13 1st Rücken an Rücken zu dem Laufrad 5 der Zentrifugalstufe und mit diesem auf dem gleichen Radkörper 6 befestigt.

Aufgrund des hydraulischen Zusammenwirkens beider Turbinenstufen 1st die Abströmung aus der geregelten Stufe bei allen Belastungen fast drallfrei. Das Betriebsmittel verläßt die Turbine Über den Saugkr(Immer 14. Anstelle der halbaxialen Einlaufspirale 1 kann, wie bei Pumpen üblich, ein Einlauf-Saugkrümmer treten und anstelle des SaugkrUmmers 14 eine halbaxiale Auslaufspirale, ähnlich der Einlaufspirale, verwendet werden, die in axialer Richtung einen geringeren Platzbedarf hat als ein SaugkrUmmer.

Die Variante der Fig. 4 hat einen besonders geringen axialen Platzbedarf und ist vorzugsweise als Anfahrturbine fUr Pumpen turbinenanlagen geeignet. Die erste zentripetal orientierte Stufe 1st genau wie eine übliche Francisturbine aus radialer Einlaufspirale 15, festen Stutzschaufeln 16, beweglichen Leitschaufeln 17 und Francislaufrad 18 aufgebaut. Hinter dem Saugmund 20 der ersten Stufe schließt sich ein kurzer Zwischendiffusor 21 en. Aufgrund der fast drallfreien Abströmung aus der geregelten ersten Stufe strömt das Betriebsmittel relativ günstig in den festen Vorleitapparat 22 der zentrifugal orientierten zweiten Turbinenstufe ein. Nach Durchströmen des Zentrifugallaufrades 23 strömt das Betriebsmittel mit einem der Belastung entsprechenden Drall in die radiale Auslaufspirale ?4 und verläßt die Turbine über den saugseitigen AuslaufStutzer.2$.

In beiden Varianten sind die Laufraddrosselspalte der ersten Stufe mit 26 und 27 und die der zweiten Stufe mit 28 bezeichnet. 29 sind Druckausgleichsbohrungen.

Heidenhei«, den 1?.1.1966

m/FHh 772 ^BAD

JB/EHb ^Jip 009841/0004

Claims

ap/A 2706 · Etablissements Heyrpic Kennwort; "Kombiturbine" ö Grenoble (Prankreich) und J.M. Voith GMbH He i denheim/Brenζ Fat entaneprüche

1. Zweistufige hydraulische Überdruckturbine mit einer als Zentripetal- und einer ale Zentrifugalstufe ausgebildeten Stufe, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentripetalturbinenstufe mit einem beweglichen und die Zentrifugalturbinenstufe mit einem festen Leitapparat ausgerüstet ist.

2. Überdruckturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugalturbine die erste Turbinenstufe bildet.

3. Überdruckturbine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beide Laufräder Rücken an Rücken auf einem gemeinsamen Radkörper (6) angeordnet sind (Pig. 3)·

4. Überdruckturbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentrifugalturbine die zweite Turbinenstufe bildet (Fig. 4).

5· Überdruckturbine nach einem der Aneprüche 1 bis 4·, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaufelkreisdurchmeeser am Strömungseintritt des Zentrifugallaufrades größer als derjenige am Eintritt des Zentripetallaufrades ist.

Heidenheim, den 16.7.1969
JB/Srö

009841/0004

Leerseite