DE2338224C3

DE2338224C3 - Francis turbine with a device to avoid the vortex pigtails in the suction pipe

Info

Publication number: DE2338224C3
Application number: DE19732338224
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Schlemmer, Günter, Dipl.-Ing. Dr.-Ing., 8520 Erlangen
Filing date: 1973-07-27
Publication date: 1976-07-15

Description

der Fall ist, wenn diese Vorrichtung nicht vorhandenis the case when this device is absent

ist und die Laufradschaufeln auch für die innere Teilturbine so ausgebildet sind, daß sie längs der gesam-50 ten Schaufellänge die Strömungsenergie abbauen. Dieis and the impeller blades are designed for the inner turbine section so that they are along the entire 50 th blade length reduce the flow energy. the

Die Erfindung bezieht sich auf eine Francisturbine Vorrichtung gemäß der US-Patentschrift 19 50 777 nach dem Gattungsbegriff des Hauptanspruchs. verschenkt die Energie der inneren Teilturbine an dasThe invention relates to a Francis turbine device according to US Pat. No. 1,950,777 according to the generic term of the main claim. gives away the energy of the inner turbine section to the

Es ist bekannt, daß bei Teillast und bei sehr klei- Saugrohr und das Unterwasserbecken, ner Einheitsdrehzahl auch bei Überlast diese Wirbel Der Wirkungsgrad von Wasserturbinen mit dervon schraubenförmiger Gestalt im Saugrohr präze- 55 artigen Vorrichtungen im Laufrad verschlechtert sich dieren. Da im Wirbelkern ein Energieminimum mit mit Sicherheit in sämtlichen Lastbereichen. Im Teilgeringerem Druck als in der umgebenden Strömung lastbereich mag die. Wirkungsgradverschlechterung vorliegt, übt der präzedierende Wirbelzopf Druck- tragbar sein, beim Auslegungspunkt, dem Turbinenpulsationen auf die Saugrohrwand aus. Die Druck- bestpunkt und ebenfalls bei Überlast wird die Einpulsaüonen gefährden den Betrieb der Turbinen- 60 büße an Wellenleistung jedoch so gravierend sein, anlage insbesondere, wenn sie zu Resonanzschwin- daß man auf eine derartige Konstruktion verzichtet, gungen des Saugrohres anregen. Der Energieinhalt Aufgabe der Erfindung war es daher, bei Francis-It is known that at part load and with very small suction pipe and the underwater basin, The efficiency of water turbines with that of helical shape in the suction pipe, 55-like devices in the impeller deteriorates date. Since there is an energy minimum in the vortex core with certainty in all load ranges. In the lower pressure part than in the surrounding flow, the load area likes. Deterioration in efficiency is present, the precessing vortex braid exerts pressure to be bearable at the design point, the turbine pulsations on the suction pipe wall. The pressure best point and also in the event of an overload is the single pulse rate jeopardize the operation of the turbine - but the shaft power is so serious that system especially if it is too resonant - that such a construction is dispensed with, stimulate the suction pipe. The energy content The task of the invention was therefore, in Francis-

der Wirbel, dessen Kern mit großer annähernd kon- turbinen nach dem Gattungsbegriff des Hauptstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert, geht dem Tür- anspruchs, die Wirbelzöpfe und die damit verbundebinenlaufrad verloren. Eine Beseitigung dieser Wir- 65 nen Nachteile zu beseitigen.the vortex, the core of which has a large approximately con-turbines according to the generic term of the main taper The angular speed rotates, goes to the door, the vortex braids and the connected turbine wheel lost. Eliminating these will eliminate disadvantages.

bei, durch die man zumindest einen Teil der Energie Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindungat, through which at least part of the energy is achieved, this object is achieved according to the invention

zurückgewinnen könnte, würde einen besseren Wir- dadurch, daß man den Innenkranz und/oder die kunesarad ergeben. Nabe nach den Laufradaustrittskanten in einem ge-could win back a better we- by having the inner ring and / or the kunesarad surrendered. Hub after the impeller trailing edge in a

wissen Abstand mit einem geschlossenen oder geteil- des Totwassers, so verhindert man die Bildung derknow the distance with a closed or part of the dead water, then one prevents the formation of the

ten Ring umgibt, wobei der Ring so angeordnet ist, Wirbelzöpfeth ring surrounds, the ring being arranged, swirl braids

daß er die innere TeUturbinenströmung beschleunigt Die Erfindung wird nachstehend an Hand derthat it accelerates the inner turbine flow. The invention is described below with reference to the

Es wad angenommen, daß der erfindungsgemäße Zeichnungen erläutertIt is believed that the drawings according to the invention are illustrated

Effekt dadurch erreicht mrd, weil die Strömungsver- 5 F i g. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Francis- Billion effect achieved because the Strömungsver- 5 F i g. 1 shows a cross section through a Francis

bältmsse am Innenkranz und an der Nabe im Saug- turbine·sleeves on the inner rim and on the hub in the suction turbine

rohr von entscheidender Bedeutung für die Ent- F i g.2 zeigt einen Schnitt durch den Ring 10.The pipe is of crucial importance for the development. FIG. 2 shows a section through the ring 10.

stehung der Wärbeizopfe sind. Die bisherige Vorstel- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsfonn derare the position of the heat braids. The previous concept According to a preferred embodiment

lung sagte .tilgendes aus: Auf Grund von Zirkula- Erfindung befindet sich der Ring 10, beispielsweiselung said .tiliges from: Due to the invention of Zirkula is the ring 10, for example

tionsunterschieden im Laufrad schwimmen freie io in Form eines konischen Rohres, möglichst nahe dertion differences in the impeller float free io in the form of a conical tube, as close as possible to the

Wirbelfäden aus den einzelnen Laufradkanälen her- Laufradaustrittskante 7 so, daß die Mantelfläche desVortex filaments from the individual impeller channels her- impeller outlet edge 7 so that the outer surface of the

aus und bilden diese Wirbel. Diese Theorie kann Ringes parallel zur Räche des Innenkranzes 2 undand form these eddies. This theory can be parallel to the area of the inner ring 2 and ring

nicht bestätigt werden. In keinem Betriebspunkt der Nabe 12 verläuft. Die Befestigungsstege 11 descannot be confirmed. The hub 12 does not run at any operating point. The fastening webs 11 of the

kommen die Wirbelzopfe aus dem Laufrad heraus. Ringes 10 können je nach Ausführung der Francis-the vortex braids come out of the impeller. Ring 10 can, depending on the design of the Francis

Ihr Ursprung hegt vielmehr außerhalb des Laufrades 15 turbine an der Nabe 12 oder am Innenkranz 2 an-Rather, their origin lies outside the impeller 15 turbine on the hub 12 or on the inner rim 2.

am Laufkranz 2 oder an der Nabe 12. Bei Überlast gebracht sein. Die Verbindung an beiden Teilen kannon the running ring 2 or on the hub 12. Bring it in the event of an overload. The connection on both parts can

liegt die Mendianstromung, die für de«i Durchfluß durch Verschrauben oder durch Schweißen erfolgen,lies the mendian flow which occurs for the flow through screwing or welding,

maßgebend ist, am Innenkranz 2 an und folgt der Die optimale Mantellänge des Ringes 10 und deris decisive, on the inner rim 2 and follows the The optimal jacket length of the ring 10 and the

Kontur der Nabe bis zur Spitze. Infolge des Drall- günstigste Abstand zwischen Ring und Innenkranz 2Contour of the hub to the tip. As a result of the most favorable twisting distance between the ring and the inner rim 2

erhaltungssatzes c„-r = konst wächst die bei Über- 20 und/oder Nabe 12 richten sich nach den Abmessun-Conservation law c "-r = const increases the over- 20 and / or hub 12 depend on the dimensions

last vorhandene Komponente der Absolutgeschwin- gen der Francisturbine. Um einen geringen Strö-load existing component of the absolute speed of the Francis turbine. In order to reduce the current

digkeit in negativer Umfangsrichtung (= Turbinen- mungswiderstand zu erzielen, sind die WandstärkeThe wall thickness is to be achieved in the negative circumferential direction (= turbine wind resistance)

richtung) c₀ am Laufradaustritt des Innenkranzes 2 des Ringes 10 und das Profil der Halterungen 11direction) c ₀ at the impeller outlet of the inner rim 2 of the ring 10 and the profile of the brackets 11

enorm an, während sich die Strömung zur Naben- dünn und stromlinienförmig auszubilden und dieenormous, while the flow to the hub-thin and streamlined form and the

spitze fortbewegt. Die Rotation an der Nabenspitze 25 Kanten abzurunden. Der schlitzförmige Ringhohl-point moved. Round off the rotation at the hub tip 25 edges. The slit-shaped ring hollow

dürfte so hoch sein, daß gemäß der Druckabsen- raum zwischen Ring 10 und Innenkranz 2 und/odershould be so high that, according to the pressure drop space between ring 10 and inner ring 2 and / or

kung 1/ρ ■ (dp/dr) = C₀Vr der Dampfdruck des Was- Nabe 12 verringert für das durchströmende Fluidkung 1 / ρ ■ (dp / dr) = C ₀ Vr the vapor pressure of the water hub 12 is reduced for the fluid flowing through

sers unterschritten wird und der Wirbelkern mit vom Eintritt zum Austritt seine Querschnittsflächesers is undershot and the vortex core with its cross-sectional area from entry to exit

Wasserdampf gefüllt ist. Die axialsymmetrische Strö- und wirkt somit auf die Strömung beschleunigendWater vapor is filled. The axially symmetrical flow and thus has an accelerating effect on the flow

mung um die Nabe bewirkt die Zentrierung des Wir- 30 als Düse.tion around the hub causes the centering of the Wir 30 as a nozzle.

bels, so daß dieser exakt an der Nabenspitze beginnt Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfin-bels, so that it begins exactly at the hub tip. According to a further embodiment of the invention

und sich meist gerade wie ein Schlauch in das Saug- dung wird der Ring 10 so angebracht, daß der Ab-and usually straight like a hose into the suction, the ring 10 is attached in such a way that the

rohr zieht. Wird bei Überlast die Einheitsdrehzahl stand der Ringkanten des Ringes (a, b) zum Innen-pipe pulls. If the unit speed is reached in the event of an overload, the edge of the ring (a, b) faces the inner

sehr stark verringert und damit der negative Drall im kranz 2 und/oder der Nabe 12 verschieden ist undvery much reduced and thus the negative twist in the wreath 2 and / or the hub 12 is different and

Saugrohr erhöht, so präzediert der ebenfalls noch an 35 damit die Düsenwirkung variiert wird,Increased suction tube, so that also precesses at 35 so that the nozzle effect is varied,

der Nabenspitze beginnende Wirbel stromabwärts. Eine Möglichkeit zur Beeinflussung des Drallesvortices beginning downstream of the hub tip. One way of influencing the twist

Bei Teillast sind die Strömungsverhältnisse nicht nach dem Turbinenlaufrad ergibt sich in der Ausmehr axialsymmetrisch. Die Meridianströmung folgt führung der Halterungen 11. Bildet man diese Benicht mehr dem Innenkranz 2. örtlich nicht über den festigungsstege 11 so aus, daß die Höhe der nach wie ganzen Umfang verteilt, sammelt sich Totwasser an. 40 vor dünnwandigen Stegquerschnitte der Mantelhöhe In der Grenzschicht hat sich an diesen Gebieten die des Ringes entsprechen, so kann man ihre Umlenkgesunde Strömung abgelöst. Genau an den Tot- wirkung auf den Drall ausnutzen,
wassergebieten setzen die Wirbelzöpfe an. Sind zwei Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht gegenüberliegende Totwasserblöcke vorhanden, so darin, daß man den konusförmigen Ring 10 bewegwachsen zwei Wirbelzöpfe von diesen Stellen in das 45 lieh konstruiert. Zu diesem Zweck bildet man Ring Saugrohr. Durch die den Durchfluß blockierende 10 so aus, daß er bei Teillastbetrieb wie bisher be-Wirkung des seitlich an der Nabenwand beginnen- sprachen und in F i g. 1 gezeichnet angebracht ist, den Wirbels, dessen Kern sehr dick werden kann, daß er aber beim Turbinenbestpunkt und bei Überfolgt in benachbarten Meridianebenen die Strömung last zum Innenkranz 2 und der Nabe 12 zurückwieder mehr dem Innenkranz. Je nach Betriebspunkt 50 gefahren wird, um bei den letzteren Betriebspunkten wandert der Ursprung der Teillastwirbel mehr zum die ursprüngliche und hier zweckmäßigere Kontur Innenkranz 2 hoch oder zur Nabenspitze herab. So- des Innenkranzes 2 und der Nabe 12 zu erhalten. Es wohl die sehr hohe Rotation des Wirbelkerns als auch ist nötig, den Ring 10 in mindestens zwei Teilringe sein Umlauf um die gedachte Turbinenachse, die so- zu teilen, damit er auf einen kleineren bzw. größeren genannte Präzession, erfolgen im Richtungssinn des 55 Umfang verschoben werden kann. Die radiale Verjeweiligen Dralles im Saugrohr, d. h. bei Teillast im Schiebung der Befestigungsstege 11, die die einzelnen Sinn der Turbinendrehrichtung und bei Überlast ent- Ringteile halten, kann magnetisch oder mechanisch gegengesetzt. Da in der Praxis an Wasserturbinen- erfolgen. Da die am Ring 10 und an den Stegen 11 anlagen normalerweise keine Überlastbetriebspunkte auftretenden hydraulischen Kräfte sehr gering und von so kleiner Einheitsdrehzahl wie an einer Modell- 60 nicht mit denjenigen zu vergleichen sind, die an Flüturbine vorkommen, daß der Überlastwirbelzopf geln von Kaplanturbinen angreifen, sind auch die zu präzediert, beschränken sich hier die Maßnahmen auf übertragenden Kräfte im Verstellmechanismus, der den Rückgewinn der Energie des Wirbelschlauchs. wie bei Kaplanturbinen innerhalb der Nabe 12 oder Im häufig vorkommenden Teillastbetrieb gewinnt des Innenkranzes 2 untergebracht sein kann, weniger man durch die Abschwächung oder die Beseitigung 65 problematisch. Die Wirkung des geteilten und damit der Wirbelzöpfe Energie zurück und verhindert den unterbrochenen Ringes 10 ist deswegen noch vorhanschädlichen Einfluß der Druckpulsationen auf die den, weil die Wirbelzöpfe wegen ihrer Präzision auf Anlage. Vermeidet man bei Teillast die Entstehung dem Laufradboden (2, 12) umwandern.At part load, the flow conditions are not axially symmetrical after the turbine runner. The meridional flow follows the guidance of the brackets 11. If this is no longer the inner rim 2. Not locally over the fastening webs 11 in such a way that the height of the distributed over the entire circumference, dead water collects. 40 in front of thin-walled cross-sections of the mantle height In the boundary layer, those of the ring have corresponded in these areas, so their deflecting healthy flow can be replaced. Take advantage of the dead effect on the twist,
water areas put the vortex braids on. A further embodiment of the invention consists of opposing dead water blocks, so that one constructs the conical ring 10 to move two vortex braids from these points into the 45 borrowed. For this purpose a ring suction pipe is formed. By blocking the flow in such a way that, in partial load operation, as before, the effect of the start on the side of the hub wall and in FIG. 1 is attached, the vortex, the core of which can become very thick, but that at the turbine best point and when passing over in adjacent meridional planes, the flow load to the inner rim 2 and the hub 12 back again more to the inner rim. Depending on the operating point 50, at the latter operating points the origin of the part-load vortex migrates more to the original and here more expedient inner rim 2 contour or down to the hub tip. So the inner ring 2 and the hub 12 to get. It is probably the very high rotation of the vortex core as well as it is necessary to divide the ring 10 into at least two partial rings around the imaginary turbine axis, so that it has a smaller or larger precession, taking place in the direction of the 55 circumference can be moved. The radial verjeweiligen twist in the suction pipe, ie with partial load in the displacement of the fastening webs 11, which hold the individual sense of the turbine direction of rotation and ring parts in the event of overload, can be magnetically or mechanically opposed. As in practice on water turbines. Since the hydraulic forces, which normally do not have any overload operating points on the ring 10 and on the webs 11, are very small and of such a low unit speed as on a model 60 cannot be compared with those that occur on flood turbines, so that the overload vortex gels attack Kaplan turbines, if they are too precessed, the measures are limited to the transferring forces in the adjustment mechanism, which allows the energy of the vortex tube to be recovered. As in Kaplan turbines within the hub 12 or in the frequently occurring partial load operation, the inner rim 2 can be accommodated, less problematic due to the weakening or the elimination 65. The effect of the divided and thus the vortex braids back energy and prevents the interrupted ring 10 is therefore still damaging influence of the pressure pulsations on the, because the vortex braids because of their precision on contact. Avoid wandering around the impeller base (2, 12) at partial load.

Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, daß man über mehrere am Umfang verteilte Bohrungen am Innenkranz 2 nach dem Laufrad des Totwasser absaugt. Die üblichen Ausgleichsbohrungen 5, die den Axialschub vermindern, indem sie den Raum nach dem Laufrad mit dem oberhalb des Innenkranzes 2 gelegenen Raum verbinden, der ohne Ausgleichsbohrungen höheren Druck aufweist, arbeiten dieser Absaugung entgegen. Das heißt, verstopft man die Ausgleichsbohrungen S, wobei man einen höheren Axialschub und eine höhere Belastung des Lagers in Kauf nimmt, so schwächt man bereits die Wirbelzöpfe. Die zur Absaugung vorgesehenen Bohrungen am Innenkranz 2 können durch den Turbinendeckel 1 mit einer Evakuierungspumpe verbun- 15, den werden. Die Absaugstellen im Innenkranz 2 können auch schlitzförmig ausgeführt sein.Another variant of the invention consists in that one has several bores distributed around the circumference sucks off the dead water on the inner rim 2 after the impeller. The usual compensation bores 5, which reduce the axial thrust by making the space after the impeller with the one above the inner ring 2, which has higher pressure without compensating bores, work against this suction. In other words, if you plug the compensating bores S, you get a higher one If you accept axial thrust and a higher load on the bearing, you already weaken the Swirl braids. The holes provided for suction on the inner rim 2 can pass through the turbine cover 1 connected to an evacuation pump. The suction points in the inner rim 2 can also be made slit-shaped.

Die Umkehrung der letzten Variante der Erfindung besteht darin, daß man durch mehrere Bohrungen am Umfang des Innenkranzes 2 nach dem Laufrad energiereiches Wasser zuführt und somit die Strömung wieder zum Anlegen bringt. Zu diesem Zweck sind die Mündungen der Bohrungen so gerichtet, daß die Druckwasserstrahlen möglichst tangential an der Oberfläche des Innenkranzes 2 in ungefährer Richtung zur Nabenspitze mit geringer Komponente in Turbinendrehrichtung entlangschießen. Die Druckwasserentnahme kann an der Druckkante 3 des Laufrades oder aus der Spirale entnommen werden. The reversal of the last variant of the invention is that you through several holes on The circumference of the inner rim 2 supplies high-energy water after the impeller and thus the flow brings it back to mooring. For this purpose, the mouths of the holes are directed so that the pressurized water jets as tangential as possible on the surface of the inner rim 2 in an approximate direction Shoot along the tip of the hub with a small component in the direction of rotation of the turbine. The pressurized water extraction can be taken from the pressure edge 3 of the impeller or from the spiral.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

^ There are experimental attempts known, claims: which consist in the fact that the hub was made in different versions a by the hub

1. Francis turbines, consisting essentially of pointed more or less section or them in the from a spiral with a support blade, a 5 extended suction tube. The influence of these measures The diffuser, the turbine impeller, and the vortex braids are insignificant. If you pull including several impeller blades, which, for example, the hub tip into the suction pipe, see above The outer rim, the inner rim and the hub are only shifted at the tip of the hub the suction pipe, thereby identifying the calibrated pigtail further downstream, without it, that the inner rim (2) and / or the hub io through to eliminate however.

(12) after the impeller trailing edge (7) in one It is also from the British patent

certain distance with a closed or 8 39 964 known to attach a ring to the hub Ring (10) is surrounded, the ring gene to suck in air via a line. This is arranged so that it dampens the inner turbine part air, but eliminates the vortex pigtail flow does not accelerate 15. One would lead through the hub

2. Turbine according to claim 1, characterized thereby closing bores, so one would have the purpose of shows that the outer surface of the ring (10) described in the British patent is pre-parallel to the surface of the inner rim (2) and / direction is destroyed, as it is here on the injection or the hub (12) runs. tion effect arrives. Mention should be made at this point

3. Turbine according to claim 1, characterized in that the German Auslegeschrift 10 64191 records that the distance between the ring edges of the axial flow machines, which is basically the ring (10) a, b to the inner ring (2) and / or at all not compared to Francis turbines if the hub (12) is different. who can, are known, although they have a hub ring

4. Turbine according to claim 1 to 3, characterized, but fer only the Abscldrmung the characterized in that the ring (10) via webs (11) as "healthy" flow through flow against the detachment with the inner rim (2) and / or the hub area is used

(12) is connected, the webs (11) is also preferred from the US patent wise are designed so that the swirl flow 19 50 777 known a turbine in which a between ring (10) and inner rim (2) or the funnel-shaped device in the impeller in the area Hub (12) is advantageously influenced. 30 of the impeller channels is located. The turbine specialists

5. Turbine according to claim 1, 2 and 4, thereby dividing the entire flowing through the impeller characterized in that the ring (10) in at least flow conceptually in turbine sections so that the divided into two parts and in terms of the distance on the outer edge of the impeller blades, close to the from the inner rim (2) and / or the hub (12) outer rim flow past the wheel adjustable is, the inner circumferential surface of the 35 circumference as the outer and the close to the wing root Ring (10), optionally in a corresponding flow flowing past the inner ring as the inner one Wells, on the inner rim (2) and / or part of the turbine is referred to. This inner turbine section the hub (12) rests. is by the device of the US patent at

6. Turbine according to claim 1 to 5, characterized thereby detected the impeller leading edge and along the entire characterized in that the inner rim (2) and / or 40 length of the outside of this device adjoins the Hub (12) in addition to the closed the shovel over the hub tip into the suction tube or divided ring (10) provided with openings. In this way a bypass becomes a run whereby the openings for the discharge or supply wheel are made, which means that the in the serve of water. Entrained energy in the form of

45 speed and pressure energy by no means in that Measures taken from the impeller, like this then