DE3345234A1

DE3345234A1 - Diffusor for hydraulic turbo engines

Info

Publication number: DE3345234A1
Application number: DE19833345234
Authority: DE
Inventors: Noël Meilen Meystre
Original assignee: Escher Wyss GmbH
Current assignee: Sulzer Escher Wyss GmbH
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1983-12-14
Publication date: 1984-06-28
Also published as: CH659686A5

Abstract

In the case of the diffusor for hydraulic turbo engines of large dimensions, especially water turbines or pump turbines, the guide vanes comprise a thin vane body (5) with an attached framework (7) for reinforcement. This framework is composed of separate, flat elements (8, 9, 10), which are placed in the direction of the profile axis (S), that is in the direction of flow. A larger, free cross-section is thereby obtained for the flow, increasing the flexural and torsional rigidity and at the same time reducing the material outlay. <IMAGE>

Description

Leitapparat für hydraulische TurbomaschinenGuide apparatus for hydraulic turbo machines

Die Erfindung betrifft einen Leitapparat für hydraulische Turbomaschinen mit mehreren, ein Profil aufweisenden Leitschaufeln. Solche Leitapparate sind beispielsweise in CH 433 150 beschrieben.The invention relates to a diffuser for hydraulic turbo machines with several guide vanes having a profile. Such diffusers are for example described in CH 433 150.

Für viele hydraulische Turbomaschinen sind Leitapparate mit verstellbaren Leitschaufeln erforderlich oder erwünscht. Beispielsweise bezwecken die Leitschaufeln einer Wasserturbine die Einstellung des Wasserstromes genau nach der augenblicklich erforderlichen Turbinenleistung. Das Leitrad dient auch vorübergehend als Absperrorgan. Bei Pumpturbinen mit verstellbarem Leitapparat dient dieses zudem als Drosselorgan während bestimmter Betriebsphasen.For many hydraulic turbo machines, nozzles are adjustable Guide vanes required or desired. For example, the purpose of the guide vanes a water turbine adjusts the water flow exactly after the instant required turbine power. The guide wheel also serves as a temporary shut-off device. In the case of pump turbines with an adjustable diffuser, this also serves as a throttle device during certain operating phases.

Die Leitschaufeln müssen dabei eine Reihe von Bedingungen erfüllen. Sie müssen derart steif sein, dass unter der Wirkung der Strömungskräfte keine störenden Schwingungen entstehen. Die Form der Leitschaufeln soll so gewählt werden, dass die Strömung zum Laufrad der Turbomaschine von den Leitschaufeln günstig beeinflusst wird.The guide vanes must meet a number of conditions. They must be so stiff that there are no disruptive forces under the effect of the flow forces Vibrations arise. The shape of the guide vanes should be chosen so that the flow to the impeller of the turbomachine is favorably influenced by the guide vanes will.

Die Leitschaufeln müssen zudem in der Schliesslage, d.h. unter der vollen Wasserlast, gut abdichten und deshalb eine kontrollierte, beschränkte Durchbiegung und Torsion aufweisen. Die Verstellung der Leitapparatöffnung soll kontinuierlich und stabil verändert werden können. Diese Bedingungen werden bei vorbekannten Leitapparaten durch Leitschaufeln erfüllt, die ein strömungsgünstiges, jedoch relativ dickes und volles Profil aufweisen. Bei grossen Turbomaschinen mit Durchmessern von mehreren Metern werden solche Leitschaufeln ausserordentlich schwer.The guide vanes must also be in the closed position, i.e. under the full water load, seal well and therefore a controlled, limited deflection and have torsion. The adjustment of the diffuser opening should be continuous and can be changed stably. These conditions are used in previously known diffusers met by guide vanes, which have a streamlined, but relatively thick and show full profile. For large turbo machines with diameters of several Meters, such guide vanes are extremely heavy.

Durch den grossen Querschnitt der Leitschaufeln werden zudem die Strömungsverhältnisse ungünstig beeinflusst.The flow conditions are also increased by the large cross-section of the guide vanes adversely affected.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen und insbesondere einen Leitapparat für hydraulische Turbomaschinen zu schaffen, dessen Leitschaufeln bei geringem Material-Aufwand einerseits einen geringen Strömungswiderstand, sowie andererseits eine erhöhte Biege- und Torsionssteifigkeit aufweisen. Ausserdem sollen sie eine kontinuierliche, stabile Wasserstromregelung in jeder Leitradstellung und sowohl im Turbinen- als auch im Pumpbetrieb gestatten.The invention has the task of addressing the disadvantages mentioned Eliminate prior art and in particular a nozzle for hydraulic To create turbo machines, whose guide vanes with little material expenditure on the one hand low flow resistance and, on the other hand, increased flexural and torsional rigidity exhibit. They should also provide continuous, stable water flow control in any stator position and in both turbine and pump mode.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln durch ein Fachwerk versteift sind, das aus flachen, wenigstens angenähert in Richtung der Leitschaufelprofilachse gestellten Elementen besteht.The invention is characterized in that the guide vanes through a truss are stiffened from flat, at least approximately in the direction the guide vane profile axis provided elements.

Bedingt durch diese Versteifung können die Leitschaufelblätter wesentlich dünner gewählt werden, was eine beträchtliche Reduktion des Materialaufwands mit sich bringt, und da die Fachwerkelemente sämtlich angenähert parallel zur Strömung gestellt sind, steht für die Strömung ein grösserer freier Querschnitt zur Verfügung, als er mit den üblichen Vollprofilen der Leitschaufeln zu erreichen ist. Die versteifenden Elemente liegen so, dass die Strömung durch sie nur wenig beeinflusst wird und durch die Verstellung der Leitapparatöffnung kontinuierlich und stabil verändert werden kann.Due to this stiffening, the guide vane blades can significantly be chosen thinner, which means a considerable reduction in the cost of materials brings itself, and since the framework elements are all approximately parallel to the flow are provided, a larger free cross-section is available for the flow, than it can be achieved with the usual full profiles of the guide vanes. The stiffening ones Elements lie in such a way that the flow is only slightly influenced by them and through the adjustment of the diffuser opening can be changed continuously and stably can.

Die Erfindung,sowie zweckmässige Weiterbildungen derselben, werden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.The invention, as well as expedient developments thereof, are explained on the basis of the exemplary embodiments shown in the figures.

Fig. 1 zeigt ein erstes Beispiel einer Leitschaufel in perspektivischer Ansicht.Fig. 1 shows a first example of a guide vane in perspective Opinion.

Fig. 2 zeigt die Leitschaufel nach Fig. 1 in axialer Ansicht.FIG. 2 shows the guide vane according to FIG. 1 in an axial view.

Fig. 3 zeigt ein zweites Beispiel einer Leitschaufel in perspektivischer Ansicht.3 shows a second example of a guide vane in perspective Opinion.

Fig. 4 zeigt die Leitschaufeln nach Fig. 3 in axialer Ansicht.FIG. 4 shows the guide vanes according to FIG. 3 in an axial view.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Leitschaufel mit gelochter Stützrippe im Schnitt.5 shows an example of a guide vane with a perforated support rib on average.

Fig. 6 zeigt ein Beispiel einer Leitschaufel mit zwei Stützstegen im Schnitt.6 shows an example of a guide vane with two support webs on average.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Beispiel einer Leitschaufel im Schnitt.7 shows a further example of a guide vane in section.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Beispiel eines Fachwerks im Axialschnitt.Fig. 8 shows a further example of a framework in axial section.

Fig. 9 zeigt ein Fachwerk mit Dreieck-Profilen im Axialschnitt.Fig. 9 shows a framework with triangular profiles in axial section.

Fig. 1 und 2 zeigen eine Leitschaufel eines Leitapparates für eine hydraulische Turbomaschine, die mittels Lagerzapfen 1 und 2 mit tellerartigen Erweiterungen 3 und 4 in einem Ringgehäuse drehbar gelagert ist. Die Leitschaufel besteht aus einem Schaufelkörper 5 mit relativ schmalem Profil 6, auf den auf der Druckseite eine Fachwerk-Stützkonstruktion 7 zur Versteifung aufgesetzt ist. Diese besteht aus in Profilrichtung S gestellten flachen Elementen, nämlich einem bandförmigen Element 8, welches zwischen den tellerartigen Erweiterungen 3 und 4 angeordnet ist und durch zwei Stützelemente 9 und 10 in einer gewissen Distanz h vom Schaufelkörper 5 gehalten wird. Die Distanz h sollte grösser als 1/6 der Länge L des Profils 6 sein, zweckmässigerweise grösser als 1/4 der Profillänge L. Die Breite b des bandförmigen Elementes 7 kann über die ganze Länge zwischen den tellerförmigen Erweiterungen 3 und 4 konstant sein oder etwas variieren, z.B. in der Mitte grösser sein als an den Enden,oder auf der Antriebssseite grösser sein als am anderen Zapfen. Zweckmässig ist es, wenn diese Breite b höchstens 2/3 der Profillänge L beträgt. Die Stützelemente 9 und 10 können rechteckig oder trapezförmig ausgebildet sein, d.h. der Trapezwinkel w kann 900 oder weniger betragen. Ebenso kann der Neigungswinkel X , mit dem die Stützelemente 9 und 10 auf den Schaufelkörper 5 aufgesetzt sind, 900 betragen oder weniger.Fig. 1 and 2 show a guide vane of a nozzle for a hydraulic turbo machine, which by means of bearing journals 1 and 2 with plate-like extensions 3 and 4 is rotatably mounted in a ring housing. The guide vane consists of a blade body 5 with a relatively narrow profile 6 on the pressure side a framework support structure 7 is placed for stiffening. This exists made of flat elements placed in the profile direction S, namely a band-shaped one Element 8, which is arranged between the plate-like extensions 3 and 4 and by two support elements 9 and 10 at a certain distance h from the blade body 5 is held. The distance h should be greater than 1/6 of the length L of profile 6 be, suitably greater than 1/4 of the profile length L. The width b of the band-shaped Element 7 can over the entire length between the plate-shaped extensions 3 and 4 be constant or vary slightly, e.g. be larger in the middle than at the ends or on the drive side must be larger than on the other pin. Appropriate it is when this width b is at most 2/3 of the profile length L. The support elements 9 and 10 can be rectangular or trapezoidal be, i.e. the trapezoidal angle w can be 900 or less. Likewise, the angle of inclination X, with which the support elements 9 and 10 are placed on the blade body 5, 900 or less.

Fig. 3 zeigt ein abgewandeltes Beispiel einer Leitschaufel, bei welcher zur Versteifung des bandförmigen Elementes 8 nur ein einziges Stützelement 11 vorgesehen ist, das eine rechteckige Form besitzt und senkrecht auf dem Schaufelkörper 5 aufsitzt.Fig. 3 shows a modified example of a guide vane in which only a single support element 11 is provided to stiffen the band-shaped element 8 is, which has a rectangular shape and rests perpendicularly on the blade body 5.

Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung einer Leitschaufel, bei welcher im Unterschied zu Fig. 2 die Lagerzapfen 1 jedoch so angeordnet sind, dass die Drehachse A ausserhalb des Profils 6 liegt, jedoch inerhalb des durch das bandförmige Element 8 und den Schaufelkörper 5 gebildeten Fachwerkprofils. Die Höhe des Fachwerks h beträgt bei diesem Beispiel mindestens 1/4 der Länge L des Schaufelkörpers 5. Eine derart gestaltete Leitschaufel lässt einen günstigeren Verlauf des Regelmoments beim Verstellvorgang zu.Fig. 4 shows a development of a guide vane, in which in In contrast to FIG. 2, however, the bearing journals 1 are arranged so that the axis of rotation A lies outside the profile 6, but within the through the band-shaped element 8 and the blade body 5 formed truss profile. The height of the truss h in this example is at least 1/4 of the length L of the blade body 5. One Guide vane designed in this way allows the control torque to develop more favorably during the adjustment process.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Leitschaufel ist das bandförmige Element 8 gegen den Schaufelkörper 5 mit einem bestimmten Winkel T , der zwischen 0 und 200 liegen kann, angestellt. Hierdurch lassen sich besonders günstige Strömungsverhältnisse erreichen. Das Stützelement ist zur Materialeinsparung als gelochte Rippe 12 mit einer oder mehreren Löchern 13 ausgebildet.In the case of the guide vane shown in FIG. 5, the band-shaped element is 8 against the blade body 5 with a certain angle T between 0 and 200 can be employed. This enables particularly favorable flow conditions reach. The support element is provided as a perforated rib 12 to save material one or more holes 13 formed.

Diese gelochten Rippen lassen sich auch, wie in Fig. 6 gezeigt ist, auf paarweise angeordnete, voneinander getrennte flache Stege 14 und 15 reduzieren, oder wie in Fig. 7 gezeigt, auf unregelmässig geformte Stützelemente 16 und 17.These perforated ribs can also, as shown in Fig. 6, reduce to flat webs 14 and 15 arranged in pairs and separated from each other, or, as shown in FIG. 7, on irregularly shaped support elements 16 and 17.

Auch Abwandlungen und zweckmässige Weiterbildungen der Form des Fachwerkes 7 sind möglich, z.B. auch eine asymmetrische Ausbildung des Fachwerkes.Also modifications and expedient further developments of the form of the framework 7 are possible, e.g. an asymmetrical design of the framework.

Fig. 8 zeigt ein Fachwerk mit drei zwischen dem bandförmigen Element 8 liegenden Stützelement 18,19 und 20, welche mit verschiedenen Winkeln auf die Oberfläche des Schaufelkörpers 5 aufgesetzt sind. Die Anzahl der Stützelemente kann auch grösser als 3 sein. Fig. 8 shows a framework with three between the band-shaped element 8 lying support element 18,19 and 20, which at different angles on the Surface of the blade body 5 are placed. The number of support elements can be also be greater than 3.

Fig. 9 zeigt ein besonders stabiles Fachwerk, dessen Elemente wiederum als flache, parallel zur Strömung angeordnete Tafeln ausgebildet sind, welche so angeordnet sind, dass ausschliesslich Oeffnungen 0 mit dreieckigem Querschnitt entstehen. Fig. 9 shows a particularly stable framework, its elements in turn are designed as flat, parallel to the flow arranged panels, which so are arranged so that only openings 0 with a triangular cross-section arise.

Es wird bemerkt, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Beispiele beschränkt ist, sondern dass Weiterbildungen im Rahmen des Erfindungsgedankens möglich sind. Durch die Erfindung wird in jedem Fall erreicht, dass für die Strömung ein grösserer freier Querschnitt zur Verfügung steht, da nur ein dünner Schaufelkörper erforderlich ist, und dass das diesen stützende und versteifende Fachwerk aus dünnen bandförmigen Elementen besteht, deren Dicke weniger als die Hälfte der Schaufelkörperdicke beträgt. Die versteifenden Elemente liegen dabei derart in der Strömung, dass diese durch sie nur wenig beeinflusst wird. Gegenüber vorbekannten Leitschaufeln mit Vollprofil ist eine beträchtliche Reduktion des Materialaufwandes erreichbar. Zudem werden durch die grössere Torsions- und Biegesteifigkeit der Leitschaufeln auch deren Lager wesentlich weniger belastet, indem die Schaufelblattverformung verkleinert wird, so dass auch hier Einsparungen möglich sind. It is noted that the invention does not apply to the examples described is limited, but that further developments are possible within the scope of the inventive concept are. The invention achieves in each case that one for the flow larger free cross-section is available, since only a thin blade body is required, and that this supporting and stiffening framework is made of thin ribbon-shaped elements, the thickness of which is less than half the thickness of the blade body amounts to. The stiffening elements are so in the flow that they is little influenced by them. Compared to previously known guide vanes with full profile a considerable reduction in the cost of materials can be achieved. In addition, will Due to the greater torsional and bending stiffness of the guide vanes, so do their bearings significantly less stressed by reducing the airfoil deformation, so that savings are possible here too.

Mit derartigen Leitschaufeln versehene Leitapparate eignen sich besonders für die Verwendung bei hydraulischen Maschinen jeder Art, d.h. Wasserturbinen und Pumpturbinen, mit besonders grossen Abmessungen. Während vorbekannte Leitschaufeln ihrer grossen Abmessungen wegen eine besonders starke Durchbiegung und Torsion zeigten und leicht zu Schwingungen neigten, können diese Nachteile durch die beschriebenen, erfindungsgemässen Leitschaufeln vermieden werden. Die Erfindung ist auch im konischen oder ebenen Leitrad von Rohrturbinen oder entsprechenden Pumpturbinen anwendbar. Erfindungsgemässe Leitschaufeln sind zwar vorzugsweise für Leitapparate mit verstellbaren Schaufeln bestimmt, können jedoch auch mit Vorteil für Leitapparate mit festen Schaufeln verwendet werden. Diffusers provided with such guide vanes are particularly suitable for use in hydraulic machines of all types, i.e. water turbines and Pump turbines, with particularly large dimensions. While previously known guide vanes Due to their large dimensions, they showed particularly strong deflection and torsion and tend to vibrate easily, these disadvantages can be avoided by the described, guide vanes according to the invention are avoided. The invention is also in the conical or flat stator of bulb turbines or corresponding pump turbines applicable. Guide vanes according to the invention are preferably for guide devices with adjustable ones Shovels intended, but can also be used with advantage for nozzles with fixed blades be used.

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Claims

Claims W distributor for a hydraulic turbo machine with a plurality of guide vanes having a profile, characterized in that the guide vanes (5) are stiffened by a framework (7) consisting of flat, in Direction of the guide vane profile axis (S) provided elements (8,9,10).

2. diffuser according to claim 1, characterized in that) the Guide vanes have an axis of rotation (A), by rotating the guide vanes the flow through the diffuser can be changed about its axis of rotation, if necessary until the diffuser is completely closed.

3. Guide apparatus according to claim 2, characterized in that the axis of rotation (A) outside the profile (6) of the guide vane body, but within the framework (7) lies.

4. diffuser according to one of claims 1 - 3, characterized in that that at least one element (8) of the framework at one end (3, 4) of the guide vane is anchored.

5. diffuser according to one of claims 1 - 4, characterized in that that at least one element (9,10) of the framework on the surface of the guide vane (5) is anchored.

6. diffuser according to claim 5, characterized in that at least an element of the framework (9,10) on the surface of the guide vane perpendicular to this is anchored.

7. diffuser according to claim 5 or 6, characterized in that at least one element (12) anchored on the surface is designed as a perforated rib is.

8. diffuser according to one of claims 5 or 6, characterized in that that at least one element anchored on the surface consists of two of each other separate, flat webs (14,15,16,17) is formed.

9. diffuser according to one of claims 1 - 8, characterized in that that at least one element (8) of the framework is designed as a band, the width of which (6) at most 2/3 of the guide vane length, 6) measured in the direction of the profile axis (S), amounts to.

10. diffuser according to one of claims 1 - 9, characterized in that that the height of the framework (7), measured perpendicular to the direction of flow, at least (L? 1/3 of the length of the guide vane, measured in the direction of the profile axis (S).