DE1628116C

DE1628116C - Impeller for a pump turbine

Info

Publication number: DE1628116C
Authority: DE
Inventors: Ivo Dr Ing Belgrad Vuskovic
Original assignee: Vereinigte Österreichische Eisen und Stahlwerke AG, Linz (Osterreich)
Publication date: 1971-07-08

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für durch das obere Ende der verstellbaren Schaufelteile, eine Pumpenturbine mit verstellbaren Laufrad- so daß letztere wie Klappen ausgebildet sind. Diese schaufeln. « Turbine eignet sich aber nicht für den Pump-The invention relates to an impeller for through the upper end of the adjustable blade parts, a pump turbine with adjustable impeller so that the latter are designed like flaps. This shovel. «But the turbine is not suitable for pumping

Bei Förder- bzw. Fallhöhen von über 100 m wer- betrieb, da die Laufradschaufeln am Laufradeintritt den bisher.. Pumpenturbinen in Francisbauart ver- 5 mit der Umfangsgeschwindigkeit einen Winkel von wendet, also Kreiselmaschinen mit festen Laufrad- .etwa 90° einschließen. Der Zweck der verstellbaren schaufeln. Derartige Pumpenturbinen benötigen im Schaufelenden liegt auch nicht darin, eine Anallgemeinen bei gegebenen Leistungswerten für passung bei;Strömungsumkehr zu erzielen, sondern optimalen Pumpbetrieb eine höhere Drehzahl als im eine günstige Regulierungsmöglichkeit bei wechselri-Turbinenbetrieb.' Da bei beiden .Betriebsarten selbst- io den Wassermengen zu erreichen, verständlich aber dieselbe elektrische Maschine ein- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einAt delivery or drop heights of more than 100 m, operation is carried out because the impeller blades are at the impeller inlet the previous ... pump turbines of Francis design make an angle of 5 with the circumferential speed turns, i.e. gyroscopes with fixed impellers. include about 90 °. The purpose of the adjustable shovel. Such pump turbines also do not require a general purpose in the blade end at given performance values for fit at; flow reversal to achieve, but rather optimal pumping operation a higher speed than in a favorable regulation possibility with alternating turbine operation. ' Since in both modes of operation, the water volumes can be understandable but the same electrical machine. The invention is based on the object of a

mal als Motor urid zum anderenmal als Generator '■ Laufrad für eine Pümpenturbine zu schaffen, das zum Einsatz kommt, ergibt sich bei üblicher Bauart für große Förder- bzw. Fallhöhen geeignet ist,.dabei für beide Betriebsarten auch dieselbe Drehzahl. Dar- aber einen verbesserten Wirkungsgrad bzw. eine aus folgert für das Pumpen einerseits und für den 15 höhere Leistung aufweist, das also die Vorteile des Turbinenbetrieb anderseits-je ein vom Optimum ab- herkömmlichen Francislaufrades und die des halbweichender verschlechterter. Kompromißwirkungs- axialen Deriaz-Rades vereint.sometimes as a motor and sometimes as a generator '■ to create an impeller for a pump turbine, that is used, results in the usual design for large conveying or falling heights, .this the same speed for both operating modes. But an improved efficiency or a from it concludes for the pumping on the one hand and for the 15 has higher performance, which therefore has the advantages of the Turbine operation on the other hand - a conventional Francis runner each and that of the semi-softening one deteriorated. Compromise effect of axial Deriaz wheel united.

grad. Da das Laufrad einer solchen Pumpenturbine Ausgehend von dem Laufrad einer Pumpenturbine,grad. Since the impeller of such a pump turbine starting from the impeller of a pump turbine,

normalerweise für den Pumpenbetrieb ausgelegt dessen Laufradschaufeln verstellbar sind, zeichnet wird, nimmt der Pumpenwirkungsgrad den optimalen 20 sich-die Erfindung dadurch aus, daß in an sich Wert an. Im Turbinenbetrieb wird sich dann bei bekannter Weise die nach Francisbauart angeorddemselben geodätischen Gefälle ein etwas niedrigerer neten Laufradschaufeln aus einem leitradseitigen Wirkungsgrad einstellen, und zwar dadurch, daß festen Schaufelteil und einem an diesen anschließen-* am Eintritt in das Laufrad ein Stoßverlust entsteht, den, nach beiden Seiten verschwenkbaren Schaufelweil der Strömungswinkel der Relativgeschwindigkeit 25 teil bestehen, daß die etwa durch die Mitte der wesentlich kleiner ist als der Schaufelwinkel, und Länge des Querschnittes der schwenkbaren Schaufeldaß am Laufradaustritt ein Rotationsenergieverlust teile verlaufenden Schwenkachsen mit der Laufradzu verzeichnen ist, der durch die negative Umfangs- achse einen Winkel von 30 bis 60° einschließen und komponente der absoluten Strömungsgeschwindig- daß jeweils der schwenkbare Schaufelteil aus seiner keit verursacht wird. Zufolge der Unverstellbarkeit 30 mit dem festen Schaufelteil fluchtenden Grundder Laufradschaufeln und damit der Unmöglichkeit stellung um höchstens 10° verschwenkbar ist. Durch einer Anpassung an die beiden verschiedenen Be- das Verschwenken der 'bei Turbinenbetrieb am Lauftriebsarten können also bei einer Pumpenturbine radaustritt liegenden Schaufelteile um einen geringen der Francisbauart gute Wirkungsgrade bestenfalls in Winkel von beispielsweise etwa 7° wird erreicht, den Optimalbereichen erreicht werden, die aber auch _3S daß sich beim Ausströmen aus dem Laufrad im nur einen reduzierten Kompromißwert darstellen, Turbinenbetrieb keine verlustbringende Rotationswogegen die Teillastwirkungsgrade ungünstig sind. strömung mehr bildet, so daß trotz der im Türbinen-Die zwischen dem inneren und äußeren Laufrad- betrieb bedeutend größeren Durchflußmenge die kranz eingespannten festen Laufradschaufeln ergeben bisher bei Francisturbinen auftretenden Rotationsaber den Vorteil, höheren Belastungen standzuhal- ₄₀ cnergieverluste vermieden werden und sich optimale ten, so daß eben Pumpenturbinen in Francisbauart Werte ergeben. Das Verschwenken der Schaufeltcilc für große Fall- bzw. Förderhöhen geeignet sind. hat aber beim Turbinenbetrieb auch eine größerenormally designed for pump operation whose impeller blades are adjustable, the pump efficiency assumes the optimum 20 - the invention is characterized in that in itself value. In turbine operation, in a known manner, the same geodetic gradient arranged according to the Francis design will result in a somewhat lower impeller blades from an efficiency on the stator side, namely due to the fact that a fixed blade part and an adjoining blade part at the inlet to the impeller results in a shock loss, which, blade pivotable to both sides because the flow angle of the relative speed 25 partly exist that the pivot axes with the impeller running through approximately the center of the is much smaller than the blade angle, and length of the cross section of the pivotable blade at the impeller outlet, a loss of rotational energy is shared with the impeller negative circumferential axis enclose an angle of 30 to 60 ° and component of the absolute flow velocity, that in each case the pivotable blade part is caused by its speed. As a result of the non-adjustability 30 with the base of the impeller blades, which are aligned with the fixed blade part, and thus the impossibility of the position, it can be pivoted by a maximum of 10 °. By adapting to the two different angles, the pivoting of the 'when the turbine is operating on the drive types, blade parts located in a pump turbine wheel outlet can be achieved by a small amount of the Francis design, at best at an angle of about 7 °, for example also _3S that there is only a reduced compromise value when flowing out of the impeller, turbine operation no loss-making rotation whereas the partial load efficiencies are unfavorable. forming flow more, so that in spite of the Türbinen-The operation between the inner and outer impeller significantly larger flow rate the coronary clamped fixed impeller blades result so far in Francis turbines rotating But occurring the advantage of higher loads standzuhal- ₄₀ cnergieverluste be avoided and optimal th, so that pump turbines of the Francis type produce values. The pivoting of the Schaufeltcilc are suitable for large falling or conveying heights. but also has a larger one in turbine operation

Es sind auch schon halbaxiale Pumpenturbinen, Umfangskomponente sowie eine größere Meridiandie sogenannten Deriaz- oder Diagonalturbinen be- komponente der Absolutgeschwindigkeit der Strö- . kannt, deren Laufradschaufeln und meist auch Leit- 45 mung am Laufradeintritt zur Folge, was wiederum radschaufeln verstellbar sind. Diese doppelte Regu- einen größeren Neigungswinkel der Relativgeschwinlicrbarkeit ermöglicht eine gute Anpassung an die digkeit mit sich bringt. Die Winkeldifferenz zwischen beiden Betriebsarten. Besonders wichtig ist dabei die dem Schaufelwinkel. und dem Strömungswinkel ist Laufradregulierbarkeit, weil durch sie die im Tür- . also kleiner als bei den Francisturbinen, so daß auch binenbetrieb sonst auftretende schädliche Rotations- ₅₀ die Eintrittsstoßverluste beim Turbinenbetrieb verströmung am Laufradaustritt verkleinert, damit die ringert werden. Bei dem Verschwenken bildet sich maximale Turbinenleistung vergrößert wird und die zwischen dem festen und dem schwenkbaren Lauf-Pumpenturbine in beiden Strömungsrichtungen mit schaufelteil ein kleiner Spalt, der im hydraulischen optimalen Betriebsverhältnissen arbeitet. Solche Sinne als Korrektor der Grenzschichtströmung auf halbaxialen Pumpenturbinen sind aber nur für ₅₅ der konkaven Schaufelseite wirkt. Das Wasser dringt ein beschränktes geodätisches Gefalle brauchbar, nämlich durch den Spalt mit großer kinetischer weil die Laufradschaufel jeweils nur an einem in Energie von der konvexen Druckseite in die konder Laufradnabe gelagerten Zapfen befestigt sind, k_ave Saugseite ein und speist dort die Grenzschicht dessen mechanische Festigkeit für hohe Belastungen _mit frischer Energie, wodurch die Bildung von Totnicht ausreicht und weil infolge hoher Schaufel- 60 wasser und Wirbeln verhindert wird, so daß sich belastung erhöhte Kavitationsgefahr besteht. Schließ- auch die Strömlingsverluste im Laufrad verkleinern, lieh ist auch schon eine Turbine vorgeschlagen wor- Da nur ein Teil der Laufradschaufeln verschwenkt den, deren nach Francisbauart angeordneten Lauf- _wird und diese verschwenkbaren Teile geringeren radschaufeln aus einem leitradseitigen festen und Belastungen ausgesetzt sind, können wesentlich einem an diesen anschließenden nach beiden Seiten 65 größere Forcier- bzw. Fallhöhen als bei den bisverschwenkbaren Teil bestehen. Die Schwenkachsen herigen halbaxialen Pumpenturbinen gewählt· werder verstellbaren Schaufclteile liegen dabei in einer den. Dank der Verschwenkmöglichkeit der Schaufel-Normalebene zur Laufradachse und verlaufen jeweils teile können Pumpenturbinen mit dem Lauf-There are also semi-axial pump turbines, circumferential components and a larger meridian, the so-called Deriaz or diagonal turbines, as a component of the absolute speed of the flow. knows, their impeller blades and mostly also lead to 45 guiding at the impeller inlet, which in turn are adjustable to the impeller blades. This double regulation enables a larger angle of inclination of the relative speed to be adapted to the speed it entails. The angle difference between the two operating modes. The blade angle is particularly important. and the flow angle is impeller controllability, because through it the in the door. therefore smaller than in the Francis turbines, so that also otherwise occur binenbetrieb harmful rotation _50, the entry shock losses during turbine operation verströmung at the impeller outlet scaled down to be Ringert. When pivoting, the maximum turbine power is increased and the blade part between the fixed and the pivotable running pump turbine in both directions of flow forms a small gap, which works in optimal hydraulic operating conditions. Such sense as a proofreader of the boundary layer flow on semiaxial pump turbines but only works for ₅₅ of the concave blade side. The water penetrates a limited geodetic gradient useful, namely through the gap having a large kinetic because the impeller vane are each attached to only one stored in energy from the convex pressure side in the Konder impeller hub pin, k _ave suction side and fed there the boundary layer the mechanical strength for high loads _with fresh energy, which means that the formation of dead is not sufficient and because water and eddies are prevented as a result of the high levels of shovel water, so that the load increases the risk of cavitation. Closing reduce the Strömlingsverluste in the impeller, borrowed is already a turbine proposed WOR Since only a portion of the impeller blades pivoted to, which are arranged according to Francis type running _w ill and these pivotable parts lower vanes of a leitradseitigen fixed and loads are exposed, can consist of a substantially larger forcing or falling heights adjoining this on both sides 65 than in the case of the part that can be pivoted up to the side. The pivot axes of previous semi-axial pump turbines are selected, the adjustable blade parts are located in one of the. Thanks to the possibility of pivoting the normal plane of the blades to the impeller axis and if parts run, pump turbines with the impeller

rad nach der Erfindung bei größerem Gefälle mit Vollast und unter optimalen Betriebsverhältnissen in beiden Strömungsrichtungen gefahren werden, wobei sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb mit der gleichen maximalen' Leistung gearbeitet wird und dadurch die volle Leistung der elektrischen Maschine ausgenützt werden kann. Es ist möglich, die mit dem festen Schaufelteil fluchtende Grundstellung der verschwenkbaren Schaufelteile für den Pumpbetrieb auszulegen und die Ver-Schwenkung zur konvexen Schaufelseite hin vorzunehmen. Es kann aber auch nach beiden Seiten verschwenkt werden, so daß beispielsweise die verstellbaren Schaufelteile für den Nominalpumpbetrieb um etwa 3,5° zur konkaven Schaufelseite hin verdreht sind und dann beim Turbinenbetrieb über die Grundstellung hinaus gegen die konvexe Schaufelseite auf den gleichen Winkel eingestellt werden. Sofern man die Vorteile der teilweisen Laufschaufelverschwenkung auch für den Teillastbetrieb aus- _ao nützen will, was sich sowohl auf die Kavitationserscheinung als auch auf den Wirkungsgradverlauf positiv auswirkt, kann dies durch ein weiteres Verschwenken der verstellbaren Schaufelteile bis zu einem Winkel von 10° in beiden Richtungen erfolgen.rad according to the invention can be driven with full load and under optimal operating conditions in both flow directions on a steep gradient, both in pump and turbine operation with the same maximum 'power and thus the full power of the electric machine can be used. It is possible to design the basic position of the pivotable blade parts, which is aligned with the fixed blade part, for pumping operation and to pivot the blade towards the convex side of the blade. However, it can also be pivoted to both sides so that, for example, the adjustable blade parts for nominal pumping are rotated by about 3.5 ° to the concave blade side and then set to the same angle against the convex blade side during turbine operation beyond the basic position. Unless one off the benefits of partial Laufschaufelverschwenkung for part load operation _ao wants to use what both to the cavitation and positive effect on the efficiency curve, this may by a further pivoting of the adjustable blade parts up to an angle of 10 ° in both directions respectively.

Die verschwenkbaren Schaufelteile können mit Hilfe eines in der Nabe eingebauten, vorzugsweise hydraulischen Servomechanismus in an sich bekannter Weise je nach Bedarf nach der einen oder anderen Seite verschwenkt werden. Ferner ist es möglich, die mit dem erfindungsgemäßen Laufrad ausgestattete Pumpenturbine mit verstellbaren oder festen Leitschaufeln auszustatten. Bei festen Leitschaufeln kann auch ohne automatische Regulierung der verschwenkbaren Laufradschaufelteile gegebenenfalls mit einer Asynchronmaschine gearbeitet werden, sofern nur das elektrische Netz genügend stark ist. Eine derartige Pumpenturbine muß lediglich die Möglichkeit aufweisen, die verschwenkbaren Schaufelteile in die maßgeblichen "Stellungen hydraulisch von Hand aus verschwenken zu können. Um dabei ein Durchgehen des Laufrades im Falle einer plötzlichen Entlastung oder eines Stromausfalles zu verhindern, braucht nur ein Drehzahlregler vorgesehen zu sein, der bei Überschreitung einer bestimmten Grenzdrehzahl die verschwenkbaren Schaufelteile in die Schließstellung verschwenkt bzw. auf einen üblichen, das Schließen der Schaufeln herbeiführenden Schnellschluß-Mechanismus einwirkt.The pivotable blade parts can with the help of a built in the hub, preferably hydraulic servomechanism in a manner known per se, depending on the needs of one or the other be pivoted on the other side. It is also possible with the impeller according to the invention equipped pump turbine with adjustable or fixed guide vanes. With fixed guide vanes can also be used without automatic regulation of the pivoting impeller blade parts work with an asynchronous machine, provided that the electrical network is sufficient is strong. Such a pump turbine only has to have the option of pivoting To be able to swivel blade parts hydraulically by hand into the relevant "positions. To the impeller will run away in the event of sudden relief or a power failure prevent, only a speed controller needs to be provided, which is triggered when a certain Limit speed swivels the pivotable blade parts into the closed position or on acts a conventional, the closing of the blades bringing about quick-action closing mechanism.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigtThe subject matter of the invention is shown in the drawing, for example. It shows

F i g. 1 einen Teil einer Pumpenturbine im Axialschnitt undF i g. 1 a part of a pump turbine in axial section and

F i g. 2 eine Abwicklung eines nach einem Kegelmantel geführten Schnittes durch das Laufrad.F i g. 2 shows a development of a cut through the impeller following a conical surface.

Die Pumpenturbine besitzt verstellbare Leitschaufeln 1. Das Laufrad weist eineri zweiteiligen inneren Laufradkranz 2 und einen äußeren Laufradkranz 3 auf,' zwischen welchen Laufradkränzen die Laufradschaufeln angeordnet sind. Diese bestehen jeweils aus einem leitradseitigen festen Teil 4 und ■ einem an diesen anschließenden verschwenkbaren Teil 5. Die Schwenkachsen 6 der verschwenkbaren Teile 5 sind zur Laufradachse 7 unter einem Winkel. von 45° geneigt, wobei die Achse 6 etwa durch die Mitte der Länge des Querschnittes des Schaufelteiles 5 verläuft. Die Teile S können, wie die F i g. 2 erkennen läßt, aus ihrer in vollen Linien dargestellten Grundstellung nach beiden "Seiten um einen Winkel von höchstens 10° verschwenkt werden, wobei die Schwenkstellungeh zur konvexen Seite hin für den Turbinenbetrieb und jene zur konkaven Seite hin für den Pumpbetrieb bestimmt sind. Außerdem lassen sich die Schaufclteile 5 aber noch in eine Extremstellung 5 verschwenken, in der sie sich schließend aneinander legen, welche Stellung für das Anfahren im Pumpbetrieb Geltung hat oder auch als Schnellschlußstellung zur Verhinderung des Durchgehens der Turbine dient.The pump turbine has adjustable guide vanes 1. The impeller has a two-part inner impeller rim 2 and an outer impeller rim 3, 'between which impeller rims the Impeller blades are arranged. These each consist of a fixed part 4 and ■ on the guide wheel side a pivotable part 5 adjoining this. The pivot axes 6 of the pivotable Parts 5 are at an angle to the impeller axis 7. inclined by 45 °, the axis 6 approximately through the middle of the length of the cross section of the blade part 5 runs. The parts S can, as shown in FIG. 2 can be seen from their basic position shown in full lines to both "sides around one Angle of at most 10 ° can be pivoted, with the pivot position towards the convex side for turbine operation and those on the concave side for pump operation. In addition, the Schaufclteile 5 can still pivot into an extreme position 5 in which they then put together which position is valid for starting up in pumping mode or also serves as a quick-closing position to prevent the turbine from running away.

Die verschwenkbaren Schaufelteile 5 sind mit je einem Zapfen 8,9 im inneren und äußeren Laufradkranz 2,3 gelagert. Dabei besitzt der äußere Zapfen 9 ein wassergeschmiertes Lager mit einer Lagerbüchse 10 aus Kunststoff. Um den Spaltreibungsverlust des rotierenden Laufrades in diesem Bereich möglichst gering zu halten, werden die Büchsen 10 nach der Vormontage gemeinsam mit dem Lauf radkranz 3 bearbeitet, so daß dort eine kontinuierliche Kegelfläche entsteht.The pivotable blade parts 5 are each with a pin 8, 9 in the inner and outer impeller rim 2,3 stored. The outer pin 9 has a water-lubricated bearing with a Bearing bush 10 made of plastic. To the gap friction loss of the rotating impeller in this To keep the area as small as possible, the sleeves 10 are together with after the pre-assembly the running wheel rim 3 machined, so that there is a continuous conical surface.

Ebenso ist es möglich, lediglich die festen Schaufelteile zwischen dem inneren und äußeren Laufradkranz anzuordnen und die verschwenkbaren Schaufelteile ausschließlich im inneren Laufradkranz bzw. in der Laufradnabe zu lagern.It is also possible to have only the fixed blade parts between the inner and outer impeller rim to be arranged and the pivotable blade parts exclusively in the inner impeller rim or to be stored in the impeller hub.

Claims

Claim:

Impeller for a pump turbine with adjustable impeller blades, characterized in that that in a manner known per se, the impeller blades arranged according to the Francis design (4, 5) from a stator-side fixed blade part (4) and an adjoining, to both sides pivotable- 'blade part (5) exist that the approximately by the Center of the length of the cross section of the pivotable blade parts extending pivot axes (6) enclose an angle of 30 to 60 ° with the impeller axis (7) and that in each case the swiveling shovel part from its basic position aligned with the fixed shovel part is pivotable at most 10 °.

1 sheet of drawings