DE438778C

DE438778C - Impeller for high-speed water turbines with stator, non-extended impeller and continuous axial loading of the impeller, the blades of which are directed perpendicular or obliquely to the impeller axis

Info

Publication number: DE438778C
Application number: DEK65499D
Authority: DE
Original assignee: Dr-Ing Viktor Kaplan
Current assignee: Dr-Ing Viktor Kaplan
Publication date: 1926-12-24

Description

Laufrad für schnellaufende Wasserturbinen mit Leitrad, nicht erweitertem Laufrad und durchgängig achsialer Beaufschlagung des Laufrades, dessen Schaufeln senkrecht oder schräg zur Laufradachse gerichtet sind. Bei den üblichen Bauweisen von schnelllaufenden Wasserturbinen tritt nicht selten. der Fall ein, daß sich bei gleichbleibendem Drehmoment keine eindeutig bestimmte D're'hzalil der Turbine einstellt. So kann beispielsweise das gleiche Drehmoment unter sonst gleichen Verhältnissen bei zwei oder mehreren voneinander erheblich abweichenden Laufraddrehzahlen zustande kommen, je nachdem dieses Moment durch Belastung oder Entlastung der Turbine erzielt wurde. Diese in der Praxis zwar oft beobachtete, in der Literatur aber nicht aufgeklärte Erscheinung ist auf labile Strömungszustände in der Turbine zurückzuführen, welche dadurch bewirkt werden, daß die Gestaltung und gegenseitige Anordnung der Schaufelflächen den für eine stabile Wasserströmung erforderlichen Voraussetzungen nicht entsprechen. Derartige labile Strömungen rufen jedoch im praktisclien Betrieb große Nachteile 'hervor, weil. die von der Turbine betriebene Arbeitsmaschine eine gleichbleibende :Drehzahl verlangt. Dazu kommen noch Schwierigkeiten in der Regulierung derartiger Turbinen sowie die mit jedem labilen Strömungsvoigang unvermeidliche sprunghafte Veränderung des Wfrkungsgrades.Impeller for high-speed water turbines with a stator, not an extended one Impeller and continuous axial loading of the impeller, its blades are directed perpendicular or obliquely to the impeller axis. With the usual construction methods of high-speed water turbines occurs not infrequently. the case that with constant torque does not set a clearly defined D're'hzalil of the turbine. For example, the same torque can be achieved under otherwise identical conditions with two or more impeller speeds that differ significantly from one another come, depending on this moment achieved by loading or unloading the turbine became. This is often observed in practice, but not explained in the literature The phenomenon is due to unstable flow conditions in the turbine, which caused by the design and mutual arrangement of the blade surfaces do not meet the requirements for stable water flow. Such unstable currents, however, cause great disadvantages in practical operation 'because. the working machine operated by the turbine is a constant one : Speed required. In addition, there are difficulties in regulating such Turbines as well as the unavoidable leaps and bounds that are unavoidable with every unstable flow Change in the degree of efficiency.

Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe, die geschilderten Nachteile zu belieben. Zu diesem Behufe wurde vor allem die bisher übliche radiale oder angenähert radiale Beaufschlagung des Laufrades und deren bei Schnelläufern übliche Laufraderweiterung vermieden, da beides die Ausbildung labiler Strötnungserscheinungen begünstigt. Zu diesem Zwecke wurden,,die Laufradschaufeln entweder senkrecht oder geneigt zur Laufradwelle angeordnet, wodurch im Vereine mit den hauptsächlich zylindrisch verlaufenden Stromflächen einerseits die im Wesen achsiale Beaufschlagung des Laufrades erreicht und andererseits jede Laufraderweiterung verhindert wird. Mittels der mehrdimensionalen Turbinentheorie, deren Ergebnisse auch durch den Versuch geprüft wurden, konnte ferner festgestellt werden, daß hauptsächlich die der Saugrohrwand benachbarten Schaufelteile eine besondere Gesetzmäßigkeit in der Form und gegenseitigen Lage der Schaufelprofile verlangen, um bei allen für den praktischen Betrieb bestimmten Drehzahlen eine stabile Wasserströmung mit Sicherheit zu gewährleisten. Als Kennzeichen dafür läßt sich eine einfache geometrische Beziehung zwischen Schaufelwinkel, Teilung und Profillänge angeben, wie dies an Hand der Ausführungsbeispiele noch näher erläutert werden wird.The present invention solves the problem and the disadvantages outlined to please. For this purpose, the radial or approximated, which has been customary up to now, was used above all radial loading of the impeller and its impeller extension, which is common with high-speed runners avoided, as both promote the development of unstable reddening phenomena. For this purpose, the impeller blades were either perpendicular or inclined to the Impeller shaft arranged, whereby in clubs with the mainly cylindrical Flow surfaces on the one hand achieved the essentially axial loading of the impeller and on the other hand any impeller enlargement is prevented. By means of the multidimensional Turbine theory, the results of which were also checked by the experiment, could can also be found that mainly those adjacent to the suction pipe wall Blade parts have a special regularity in terms of shape and mutual position of the blade profiles require to be determined at all for practical operation Speeds to ensure a stable water flow with safety. As a mark a simple geometric relationship between blade angle, pitch and indicate the profile length, as explained in more detail with reference to the exemplary embodiments will be.

Abb. t zeigt die linke Laufradhälfte einer Wasserturbine nach vorliegender Erfindung im Aufriß, deren Laufradschaufeln S, ungefähr senkrecht auf die Laufradwelle gerichtet sind. Abb. a zeigt zwei in unmittelbarer Nähe der Saugrohrwand befindliche Schaufelprofile, welche durch den Schnitt zweier benachbarter Schaufeln mit einer Stromfläche z, z erhalten wurden. Abb. 3 zeigt ein Laufrad mit schräg . zur Laufradachse geneigten Schaufeln, und durch Abb. q. sind jene Schaufelprofile dargestellt, welche durch den Schnitt der im Ausführungsbeispiel (Abb. 3) angedeuteten Stromfläche y y mit zwei Nachbarschaufeln erhalten wurden.Fig. T shows the left runner half of a water turbine according to the present invention in elevation, the runner blades S of which are directed approximately perpendicular to the runner shaft. Fig. A shows two blade profiles located in the immediate vicinity of the suction pipe wall, which were obtained by intersecting two adjacent blades with a flow surface z, z. Fig. 3 shows an impeller with an inclined. blades inclined to the impeller axis, and through Fig. q. those blade profiles are shown which were obtained by the section of the flow area yy indicated in the exemplary embodiment (Fig. 3) with two neighboring blades.

Zur Erzielung der gewünschten Schnelläufigkeit darf der mittlere Eintrittswinkel @3"L der relativen Wasserströmung nicht groß sein. Andererseits darf aber auch das Verhältnis zwischen Sclraufelprofillänge X und Schaufelteilung t weder zu groß noch zu klein sein. Ist dasselbe zu groß, dann können kleine Winkel j3," keinen: Erfolg bringen, weil die Wasserreibungsverluste zu groß sind. Die gewünschte Schnelläufigkeit wird daher nicht erreicht. Ist das Verhältnis Xt zu klein, dann wird die Schnelläufigkeit zwar groß, aber es wächst damit auch die Gefahr des Eintrittes labiler Strömungszustände. Sowohl das günstigste @ erhältnis von \, als auch. der gün stigste Wert von 3," lassen sich in eine einfache geometrische Beziehung bringen, deren Erfüllung nicht nur die gewünschte Stabilität der Wasserströmung sichert, sondern auch die Erreichung entsprechend hoher spezili-,cher Drehzahlen gewährleistet.To achieve the desired speed, the mean entry angle may be @ 3 "L of the relative water flow should not be great. On the other hand, that too Ratio between blade profile length X and blade pitch t is neither too large nor too large be too small. If the same is too large, then small angles j3, "cannot: success because the water friction losses are too great. The desired speed is therefore not achieved. If the ratio Xt is too small, the speed becomes Although large, it also increases the risk of unstable flow conditions. Both the cheapest @ receipt of \, as well as. the cheapest Value of 3, "can be put into a simple geometric relationship, whose Fulfillment not only ensures the desired stability of the water flow, but the achievement of correspondingly high specific speeds is also guaranteed.

Zieht man, wie aus ..ebb. 2 und 4. ersichtlich, vom Eintrittspunkte E des Schaufelprofi.-]es normal zu den Stromlinien s-, die Trajektorie tt, it, so schneidet dieselbe nur ein -Nachbarprofil, und zwar so, daß der SchnittpunktP innerhalb jenes Drittels der ganzen Profillänge X gelegen ist, welches vom Austrittspunkt A aus gemessen wird. Diese Beziehung soll wenigstens in einer der Saugrohrwand benachbarten Stromfläche erfüllt sein. Falls es jedoch die Festigkeit der Schaufel zuläßt, so empfiehlt es sich. die äußeren Schaufelteile, also etwa die von den äußeren Schaufelenden bis zur Stromtl<iclte z1, 2t (Abb. i' i reichenden Schaufelflächen nach der geschilderten Beziehung auszugestalten.If you pull like from ..ebb. 2 and 4. can be seen from the entry point E des Schaufelprofi .-] it normal to the streamlines s-, the trajectory tt, it, so it intersects only one neighbor profile in such a way that the intersection point P is within that third of the entire profile length X is located which is from the exit point A is measured out. This relationship should be adjacent to the suction pipe wall at least in one Current surface must be fulfilled. However, if the strength of the blade allows, so it is recommended. the outer blade parts, that is to say about those of the outer blade ends up to the stream tl <iclte z1, 2t (Fig To shape relationship.

Die geschilderten Vorteile sind selbstverständlich nicht von einer bestimmten Zuführungsrichtung des Wassers zum Laufrad abliängig. Im Ausführungsbeispiel der Abb. i ist, wie aus den eingezeichneten Stromflächen zu entnehmen, eine Umlenkung des Wassers vor dem Eintritt ins Laufrad vorgesehen. Das Ausführungsbeispiel A,bb. ; zeigt keine derartige Umlenkung. Die Laufradschaufeln sind dort selbst gegen die Laufradwelle geneigt, ohne daß durch diesen Umstand die im Wesen achsiale Beaufschlagung des Rades gestört wird. Auch hier ist durch Abb. :1 gezeigt, daß die gewünschte geoinetrische Beziehung zwischen dem Winkel 13"" der Teilung t und der Profillänge X eingehalten ist. Da jedoch in diesem Ausführungsbeispiel der mittlere Eintrittswinkel j3", kleiner ist als in Abb. 2, so besitzt auch ein nach Abb. ¢ ausgebildetes Laufrad eine höhere Schnelläufigkeit und demnach auch größere Reibungsverluste. Um aber dennoch den. Wirkungsgrad eines solchen Radas zu verbessern, wurde der SchnittpunktP der Normaltrajektorie n, ia mit dem Nachbarprofil mehr gegen den Austrittspunkt A verschoben. Aus den gleichen Gründen empfiehlt es sich. auch von der üblichen äußeren und inneren Laufradbegrenzung abzusehen, die Schaufeln also nur mit einer entsprechend ausgebildeten NabeN fest oder verstellbar zu verbinden.The advantages outlined are of course not dependent on a specific direction in which the water is fed to the impeller. In the exemplary embodiment in Fig. I, as can be seen from the flow areas shown, the water is deflected before it enters the impeller. The embodiment A, bb. ; shows no such diversion. The impeller blades themselves are inclined there against the impeller shaft without the essentially axial loading of the wheel being disturbed by this circumstance. Here, too, Fig. 1 shows that the desired geo-metric relationship between the angle 13 ″ ″ of the pitch t and the profile length X is maintained. However, since the mean entry angle j3 ″ in this exemplary embodiment is smaller than in Fig. 2, an impeller designed according to Fig. the point of intersection P of the normal trajectory n, generally with the neighboring profile, was shifted more towards the exit point A. For the same reasons, it is advisable to refrain from the usual outer and inner impeller limitation, i.e. to connect the blades only with a correspondingly designed hubN fixed or adjustable .

Wie schon der Verlauf der in Abb. 2 eingezeichneten Stromlinien .:teigt, stimmt bei derartigen Radbeschaufelungen der Schaufeleint ri;tts@% inkel 13 keinesfalls mit dem mittleren Eintrittswinkel 13"L überein. Das gleiche gilt natürlich auch für die Austrittswinkel b bzw. b.. Dies hat zur Folge, daß die Bestimmung der Schaufelprofile nach drei dimensionalen Gesi.chispunkten erfolgen muß, falls eine gute Übereinstimmung der rechnungsmäßig gefundenen Werte mit den praktischen Versuchsergebnissen gefordert wird.Like the course of the streamlines drawn in Fig. 2.: Teigt, In the case of such wheel blading, the blade line ri; tts @% inkel 13 is by no means correct coincides with the mean entry angle 13 "L. The same is of course also true for the exit angle b and b .. This has the consequence that the determination of the blade profiles must be done according to three-dimensional Gesi.chispunkte, if a good match the calculated values with the practical test results are required will.

Elle nach vorliegender Erfindung ausgebildete= Laufrad kann überall dort VerwendunL-finden, wo neben entsprechender Schnellä.utigkcit auf eine von der Drehzahl, Wassermenge und Gefällshöhe in weiten Grenzen unabhängige Stabilität der Wasserströmung Gewicht gelegt wird. Selbstverständlich erfüllt aber eine solche Radbeschaufelung nur bei Wasserturbinen die beabsichtigte Wirkung, weil es sich dort in der Hauptsache um die Umsetzung von Druckenergie in äußere Arbeitsleistung handelt. Bei Kreiselpumpen oder Gebläsen, Schiffspropellern u. dgl., wo es sich in der Hauptsache um den entgegengesetzten Umsetzungsvorgang handelt, läßt sich natürlich diese Wirkung nicht erzielen. Ebenso bedarf es keiner besonderen Begründung, daß sich die geschilderten Vorteile nur bei gleichzeitiger Benutzung jener Vorrichtungen erreichen lassen, die zur Erzielung eines geordneten Strömungsvorganges in der Turbine unter allen Umständen erforderlich sind. Dazu gehört die Beaufschlagung des Laufrades durch einen entsprechend ausgebildeten Leitapparat und die Abführung des Wassers durch ein Saugrohr, welches im Bedarfsfalle noch einen entsprechenden Saugrohrrückgewinn ermöglichen muß. Ebenso muß während des Betriebes das ganze Laufrad von. strömendem Wasser erfüllt sein.Elle formed according to the present invention = impeller can be used anywhere It can be used wherever, in addition to the corresponding quick reference kit, one of the Speed, amount of water and gradient within wide limits independent stability of the Water flow weight is placed. Of course, it fulfills such a requirement Wheel blading only has the intended effect in water turbines, because it is there mainly about the conversion of pressure energy into external work performance acts. With centrifugal pumps or fans, ship propellers and the like, where it is is mainly about the opposite implementation process, can of course not achieve this effect. Likewise, no special justification is required that the described advantages can only be achieved when using those devices at the same time can be achieved to achieve an orderly flow process in the turbine are required under all circumstances. This includes the application of the impeller by means of an appropriately designed distributor and the drainage of the water through a suction pipe, which, if necessary, also has a corresponding suction pipe recovery must enable. Likewise, the entire impeller of. flowing Water be fulfilled.

Claims

PATENT CLAIM: Impeller for high-speed water turbines with stator, non-extended impeller and continuous axial loading of the impeller, the blades of which are directed perpendicular or obliquely to the impeller axis, characterized in that the intersection of a stream surface (z, z or y, y, Fig. t or 3) with two adjacent blades (S) is such that the trajectory (n, n) drawn from the entry point (E) normal to the streamlines: only has one neighboring blade profile and this only within that third intersects the entire blade profile length (a), which is measured from the exit point (A).