DE2844530C2

DE2844530C2 - Francis- oder Propellerturbine

Info

Publication number: DE2844530C2
Application number: DE2844530A
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Yokohama Kanagawa Harada; Sachio Tsunoda
Original assignee: Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1977-10-20
Filing date: 1978-10-12
Publication date: 1985-11-14
Also published as: US4218182A; JPS605788B2; DE2844530A1; JPS5459539A; CH632561A5

Description

= / > 0,75

ist und Rs den Radius der Querschnittsflache des Strömungsdurchgangs im Gehäuse in einer Ebene bezeichnet, welche die Achse der Hauptwelle der Turbine enthält und die Achse des Gehäuseainlaßrohres senkrecht schneidet, R die Entfernung zwischen der Achse der Hauptwelle der Turbine und dem Mittelpunkt des Strömungsdurchgangs im Gehäuse darstellt und R₀ der Radius eines die Außenfläche der Stützschaufeln umschreibenden Kreises mit Mittelpunkt in der Achse der Hauptwelle der Turbine ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis π der Fläche IiTR₀B eines den Außenumfang der Stützschaufeln (3) umschreibenden Kreises zur Querschnittsfläche xRs¹ des Strömungsdurchgangs (2) im Gehäuse (1) zwischen 1,5 und 2,1 liegt, wobei B riie Höhe der Stützschaufel-Strömungsdurchgänge (4) darstellt.

Die Erfindung betrifft eine Francis- oder Propellerturbine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs. Eine Turbine dieses Aufbaus ist aus der Druckschrift Pump- Speicher-Kraftwerke, Voith-Druck 9.71 2500, Seite 52, bekannt, wobei es sich um die Zeichnung einer Pumpenturbine handelt und bei Annahme einer in etwa maßstabgerechten Ausführung der Zeichnung das Verhältnis /größer als 0,75 ist.

Bekanntlich ist gerade bei Francis- und Propellerturbinen die Dimensionierung des Gehäuses von wesentlicher Bedeutung. Es hat sich nun gezeigt, daß einer Verkleinerung des Gehäuses gewisse Grenzen gesetzt sind, und zwar deshalb, weil es zu Strömungsturbulenzen und damit zu einer Erhöhung der Strömungswiderstände kommen kann. Letzteres kann nun dadurch vermieden werden, daß die erwähnte Beziehung / größer 0,75 eingehalten wird. Andererseits genügt die Einhaltung dieses Verhältniswertes nicht, einen hohen Wirkungsgrad der Turbine sicherzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, für den Bau einer Turbine der eingangs erwähnten Art eine Dimensionierungsvorschrift zu geben, die auch einen hohen Wirkungsgrad der Turbine sicherstellt. Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs.

Diese erfindungsgemäße Lösung, bei der auch die Größe der Stützschaufel-Strömungsdurchgänge einbezogen ist, kann der erwähnten Vorveröffentlichung nicht entnommen werden, vielmehr würde die Übertragung der Werte als maßstabsgerecht unterstellten Zeichnung einer Pumpenturbine zu einem Wert für das Flächenverhältnis η führen, der außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegt.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf die Strömungsdurchgänge im Gehäuse einer Francis-Turbine,

F i g. 2 einen Längsschnitt durch die Francis-Turbine von Fig. l,und

Fig.3 eine graphische Darstellung der Beziehung

ίο zwischen dem Verhältnis bestimmter Quers,.hnittsflächen der Strömungsdurchgänge und dem Wirkungsgrad.

Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Francis-Turbine befindet sich in einem spiralförmig gestalteten Ge-

!5 häuse 1 eine spiralförmige Turbinenkammer 2, wobei die Querschnittsfläche des Strömungsdurchgangs der Turbinenkammer 2 stufenlos von der Einlaßseite nach innen zu abnimmt Im Spiralgehäuse 1 ist eine Vielzahl von Stützschaufeln 3 angeordnet, wobei diese Stützschaufeln 3 in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen angeordnet sind und zwischen benachbarten Stützschaufeln Strömungsdruchgänge 4 begrenzen. Innerhalb der Stützschaufeln 3 ist eine Vielzahl von Leitschaufeln 5 angeordnet, und zwar in Umfangsrichtung in gleichmäßigen Abständen, wobei die Leitschaufeln 5 jeweils zwischen sich Strömungsdurchgänge 6 begrenzen. Jeder Leitschaufel-Strömungsdurchgang 6 steht mit einer Läuferkammer 7 in Verbindung, in der ein Läufer 8 angeordnet ist, der am unteren Ende einer Hauptwelle 9 sitzt

Gemäß Fig.2 sind die Stützschaufeln 3 zwischen zwei einander gegenüberliegenden Ringplatten 10 angeordnet, so daß ein Stützring 11 entsteht Jeder Stützschaufel-Strömungsdurchgang 4 wird somit durch die Kanten zweier benachbarter Stützschaufeln 3 und durch die einander gegenüberliegenden Innenflächen der Ringplatten 10 begrenzt.

Wie erwähnt, nimmt die Querschnittsfläche des Strömungsdurchgangs in der Turbinenkammer 2 kontinuierlieh von deren Einlaß zu deren A.vslaß ab. In F i g. 1 ist eine dieser Querschnittsflächen A₅ dargestellt, wobei der Querschnitt in einer Ebene liegt, die einerseits senkrecht zur Längsachse des Turbineneinlaßrohres I₃ steht und andererseits die Achse der Hauptquelle 9 enthält.

Üblicherweise ist der Radius R₅ dieses einlaßseitig ersten Querschnitts A₅ derart gewählt, daß er gleich dem Radius R_c des Querschnitts des Einlaßrohres 1* ist, so daß die Fläche &R² _S des Querschnitts A_s gleich der Fläche des Querschnitts A_c des Einlaßrohres la ist Somit aber kann die Geschwindigkeit des durch diese Querschnitte hindurchfließenden Wassers ausgedrückt werden durch

wobei mit Q_c die Menge an strömenden Wasser bezeichnet ist. Nunmehr soll die Geschwindigkeit der Wasserströmung durch die Stützschaufel-Strömungsdurchgänge 4 betrachtet werden. Nimmt man an, daß das Wasser mit einer Geschwindigkeit V und mit einem bestimmten Neigungswinkel bezüglich der Umfangstangente in die Spiralkammer einströmt, dann kann die Geschwindigkeit V zerlegt werden in eine radiale Komponente V_m, die sich von der Turbinenkammer 2 zum Stützmantel-Srömungsdurchgang 4 hin erstreckt, und eine Umfangskomponente V_u. die sich in Umfangsrichtung erstreckt Wenn das Wasser kontinuierlich strömt,

dann ist die durch die Stützschaufel-Strömungsdurchgänge 4 hindurchströmende Wassermenge gleich der in die Turbinenkammer 2 fließenden Gesamtmenge Qc-Folglich kann die radiale Geschwindigkeitskomponente V_m folgendermaßen ausgedrückt werden:

ν ^m

wobei R₀ den RaJius eines von den Außenflächen der Stützschaufeln 3 bestimmten Kreises mit Mittelpunkt in der Achse der Hauptquelle 9 bezeichnet und B die Höhe der Stützschaufel-StrömuHgsdurchgänge an deren Außenumfang ist

Aus den Gleichungen (1) und (2) kann nunmehr das Verhältnis zwischen V₁ und V_m dargestellt werden durch

■ n. (3)

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Um die Größe des Turbinengehäuses möglichst klein zu halten, ist es erforderlich, das Verhältnis des Auslandes zwischen der Achse der Hauptquelle 9 und de; Turbinenkammer 2 und dem Abstand zwischen der Achse der Turbinenwelle 9 und der Außenfläche der Stützschaufein 3 geeignet zu wählen. Mit anderen Worten, zur Verkleinerung des Gehäuses ist es vorteilhaft, die Differenz zwischen dem Radius R (Fig.2) und dem Radius R₀ so klein wie möglich zu machen. Wenn die Differenz zwischen R und R₀ jedoch zu klein ist, dann ergeben sich in der Wasserströmung vom Einlaß zum Auslaß der Turbine Turbulenzen. Es hat sich gezeigt, daß gute Ergebnisse, also ein möglichst kleines Gehäuse bei turbulenzfreier Wasserströmung, dann gewährleistet ist, wenn die Differenz R—R_s möglichst klein gewählt wird, das Verhältnis

R-R₀

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jedoch über O₁/ 5 bleibt

Ausgedehnte Versuche haben ergeben, daß unter der erwähnten Bedingung

jR^Ro. > _Of75

ein Turbinengehäuse, das nicht nur klein und turbulenzfrei ist, sondern auch einen hohen Turbinenwirkungsgrad gewährleistet, dann erreicht werden kann, wenn die weitere Bedingung erfüllt ist, daß das Flächenverhältnis η (Gleichung 3) zwischen 1,5 und 2,1 liegt. Dies ist in F i g. 3 graphisch dargestellt, wobei auf der Abszisse die Flächenverhältniswerte π und auf der Ordinate die Veränderung des maximalen Wirkungsgrades JE(Vo) der Francis-Turbine aufgetragen ist.

Gemäß der Erfindung wird also eine Lehre zur Konstruktion des Gehäuses einer Francis- oder Propellerturbine gegeben, wobei die Lehre im wesentlichen darin besteht, daß die Größen R, R₀, R₅ und B in bestimmte Verhältnisse zueinander gesetzt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Francis- oder Propellerturbine mit einem Stützring, der aus zwei einander gegenüberliegenden, zueinander parallelen Ringplatten und einer Vielzahl von Stützschaufeln besteht, die zwischen den Ringplatten befestigt sind und zwischen sich Stützschaufel-Strömungsdrachgänge bilden, und mit einem Gehäuse, das spiralförmig ausgebildet und um den Außenumfang des Stützrings herum angeordnet ist, wobei das Verhältnis