DE60009304T2

DE60009304T2 - Teilleitschaufel für hydraulische reaktionsturbine

Info

Publication number: DE60009304T2
Application number: DE60009304T
Authority: DE
Inventors: Alois Nichtawitz; Karl Christian ANGERER; Stuart Thomas Coulson
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria; General Electric Canada Co
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria; General Electric Canada Co
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 2000-07-31
Publication date: 2005-02-17
Anticipated expiration: 2020-08-01
Also published as: JP2003506629A; AU6989600A; ES2216946T3; BR0012995B1; EP1200731B1; EP1200731A1; WO2001011234A1; DE60009304D1; AU759975B2; CA2279682C; MXPA01012100A; CA2279682A1; TR200103375T2; CN1369036A; US6729843B1; BR0012995A; MY120626A; CN1129709C; ATE262647T1; AR025219A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf ein Saugrohr einer hydraulischen Reaktionsturbine. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf gekrümmte Saugrohre mit einer Teilleitschaufel.
Hintergrund der Erfindung
In einer hydraulischen Reaktionsturbine ist das Saugrohr der Teil des Strömungskanals zwischen den Austritt des Turbinenläufers und der Austritt der Turbine. Der Zweck des Saugrohrs ist die Rückgewinnung eines Teils der am Austritt der Turbine in der Strömung noch übrigen Energie. Die Querschnittfläche des Saugrohrausgangs ist größer als die am Eingang. Das führt zu typischerweise niedrigeren Austrittsgeschwindigkeiten als Eintrittsgeschwindigkeiten. Es ist erwünscht, die in der Strömung am Austritt des Saugrohrs übrige kinetische Energie zu minimieren, da die meiste Energie verloren ist, wenn die Strömung am Saugrohr austritt.
Viele Saugrohre müssen die Strömung um 90 Grad umlenken, da der Saugrohreintritt typischerweise vertikal und der Saugrohraustritt typischerweise horizontal ist. In kleinen Turbinen kann die Strömung auch umgekehrt sein. Solche Saugrohre sind allgemein als gekrümmte Saugrohre bekannt.
Eines der vielen früheren Saugrohrdesigns eigenen Probleme ist, dass sich die Strömung beim Umlenken vom Profil des Saugrohrs ablösen kann. Diese Strömungsablösung kann zu einem erheblichen Wirkungsgradverlust führen. Teilleitschaufeln, manchmal Strömungsteiler genannt, sind in der Vergangenheit benutzt worden, um die Leistung von schlechten Saugrohrdesigns zu verbessern. Schlechte Leistung ist besonders bei Betriebspunkten merkbar, bei denen der Durchfluss größer ist als der Durchfluss beim Punkt mit höchstem Wirkungsgrad für ein bestimmtes Gefälle.
Die herkömmliche Teilleitschaufel erstreckt sich übe die gesamte Breite des Saugrohrs und ist in den Saugrohrwänden befestigt. Die Teilleitschaufel ist in der Nähe der Krümmung des Saugrohrs angeordnet, um das durch das Saugrohr fließende Fluid zur Richtungsänderung zu zwingen. Eine solche Teilleitschaufel für ein gekrümmtes Saugrohr ist im U.S. Patent 1,467,168, am 4. September 1923 erteilt an Victor Kaplan bekannt. Als Alternative offenbart U.S. Patent 2,060,101, am 10. November 1936 erteilt an Lewis Moody, die Teilleitschaufel quer zum Saugrohr anzuordnen und den Strömungsteiler an den Seitenwänden des Saugrohrs und an einem sich in Längsrichtung entlang des Saugrohrs erstreckenden zentralen Pfeilers zu befestigen.
Während die Verwendung von Strömungsteilerschaufeln die Leistung verbessert, erleichtern solche Strömungsteilerschaufeln nicht die natürliche Wirbelströmung des Wassers durch das Saugrohr. Die sich in Längsrichtung erstreckenden Pfeilers verkomplizieren dieses Problem noch weiter. Die Strömung am Austritt des Turbinenläufers ist von seiner Natur aus eine typische Wirbelströmung, besonders bei Durchflüssen unterhalb des dem Spitzenwirkungsgrades entsprechenden Durchflusses bei einem bestimmten Gefälle. Die Verwendung von herkömmlichen Teilleitschaufeln resultiert in einer Verschlechterung des Saugrohrwirkungsgrades für diese Teillastbereiche aufgrund der sich ergebenden Behinderung der Wirbelkomponente der Strömung. Die herkömmliche Teilleitschaufel ist nicht praktikabel für große Turbinen, da diese aufgrund der sehr hohen statischen und dynamischen Lasten zufolge der großen Oberfläche der sich über die gesamte Breite des Saugrohrs erstreckenden Teilleitschaufel zu einer sehr großen Struktur führt und die natürliche Wirbel- oder Strudelströmung durch das Saugrohr bei Durchflüssen unterhalb des Spitzenwirkungsgrads behindern.
Es gibt einen Bedarf für ein Saugrohr mit einer Teilleitschaufel das nicht zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades für Durchflüsse unterhalb der Durchflüsse für Spitzenwirkungsgrad führt und das noch immer die vollen Vorteile bei Durchflüssen oberhalb des Durchflusses des Spitzenwirkungsgrades bei einem bestimmten Gefälle bietet.
Zusammenfassung der Erfindung
Die gegenständliche Erfindung bezieht sich auf eine Teilleitschaufel, befestigt in einem gekrümmten Saugrohr einer hydraulischen Reaktionsturbine, die sich teilweise über die Breite des Saugrohrs erstreckt, um die Strömung in der Krümmung des Saugrohrs umzulenken. Die Teilleitschaufel hat gegenüberliegende seitliche Randflächen, die von den Seitenwänden des Saugrohrs beabstandet sind, um eine Wirbelströmung im Saugrohr um die Teilleitschaufel zu ermöglichen. Eine solche Teilleitschaufel wird in der gesamten Offenbarung als „partielle Teilleitschaufel" bezeichnet.
Die partielle Teilleitschaufel der gegenständlichen Erfindung erstreckt sich nicht über die gesamte Breite des Saugrohrs, was es der Randströmung ermöglicht, um den Teiler zu Wirbeln, während sie durch das Saugrohr fließt.
Die partielle Teilleitschaufel führt zu keinem Wirkungsgradverlust für die Betriebsbedingungen unterhalb der Durchflüsse für Spitzenwirkungsgrad und ermöglicht noch immer die vollen Vorteile bei Durchflüssen oberhalb des Durchflusses für Spitzenwirkungsgrad für ein bestimmtes Gefälle.
Die partielle Teilleitschaufel ist erheblich kleiner als eine konventionelle Teilleitschaufel, die sich über die gesamte Breite des Saugrohres erstreckt, was zu wesentlich kleineren statischen und dynamischen Belastungen aufgrund der kleineren Oberflächen und zu einer minimalen Behinderung der Wirbelkomponente der Strömung durch die partielle Teilleitschaufel führt. Das ermöglicht es, eine partielle Teilleitschaufel sowohl bei großen, als auch bei kleinen Turbinen zu verwenden.
Gemäß der gegenständlichen Erfindung kann sich die partielle Teilleitschaufel über weniger als 80% der Breite des Saugrohrs erstrecken. Vorzugsweise erstreckt sich die Teilleitschaufel zwischen 50 und 80% der Breite des Saugrohrs und hat ihre gegenüberliegenden seitlichen Ränder im Wesentlichen im gleichen Abstand zu den anliegenden Seitenwänden des Saugrohrs. Die gegenüberliegenden seitlichen Randflächen der Teilleitschaufeln können in Strömungsrichtung zum Austritt des Saugrohrs hin auseinandergehen.
Vorzugsweise beinhaltet das Saugrohr eine Mehrzahl von Stützpfählen, mit einem Ende eingebettet im Saugrohr und mit dem anderen Ende verbunden, um die Teilleitschaufel in nicht berührender Beziehung zu den Seitenwänden des Saugrohrs zu positionieren. Vorzugsweise sind die Stützpfähle an einer niedrigeren Oberfläche der Teilleitschaufel befestigt. Die Stützpfähle sind von Rohren umgeben, die geformt sind, um die Effekte der Pfähle auf die Strömung im Saugrohr zu minimieren. Das Saugrohr beinhaltet vorzugsweise zumindest einen an den Austritt anschließend Pfeiler, der sich in das Saugrohr erstreckt. Vorzugsweise umfasst die Teilleitschaufel zumindest eine den Pfeiler aufnehmende Ausnehmung, adaptiert zur Aufnahme des Pfeilers und zur Stützung der Teilleitschaufel am Pfeiler. In der bevorzugten Ausgestaltung ist die Teilleitschaufel quer zur Breite des Saugrohrs und zu einer Seite des Saugrohrs hin versetzt.
Gemäß eines Aspekts der gegenständlichen Erfindung gibt es ein Saugrohr für die Verwendung in einer Turbine mit einem Turbinenläufer. Das Saugrohr umfasst Seitenwände mit einem Eintritt zum Positionieren anschließend an den Turbinenläufer und einen einen Strömungsausgang für die Turbine festlegenden Austritt. Die Seitenwände des Saugrohrs divergieren in der Breite zwischen Eintritt und Austritt. Das Saugrohr hat einen gekrümmten Ellbogen, um den Austritt im Wesentlich senkrecht zum Eintritt zu positionieren. Das Saugrohr hat eine darin befestigte Teilleitschaufel, die sich in der Nähe des Ellbogens und teilweise über die Breite des Saugrohrs erstreckt, um Strömung um diesen Ellbogen im Saugrohr umzuleiten. Die Teilleitschaufel hat gegenüberliegende, von den Seitenwänden beabstandete seitliche Randflächen, um eine Wirbelströmung um die Teilleitschaufel im Saugrohr zuzulassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Für ein besseres Verständnis der Natur und der Ziele der gegenständlichen Erfindung kann beispielhaft auf die folgende detaillierte Beschreibung Bezug genommen werden, wenn in Verbindung mit den begleitenden schematischen Zeichnungen genommen, wobei:
1 eine seitliche Schnittansicht einer hydraulischen Reaktionsturbine umfassend ein Saugrohr und die partielle Teilleitschaufel der gegenständlichen Erfindung ist;
2 eine Draufsicht der im Saugrohr befestigten partiellen Teilleitschaufel ist;
3 eine vergrößerte seitliche Schnittansicht zur Veranschaulichung der der im Saugrohr befestigten partiellen Teilleitschaufel ist;
4 eine Draufsicht der partiellen Teilleitschaufel ist; und
5 ein Diagramm der Kurve des typischen Wirkungsgrads versus Durchfluss für eine hydraulische Reaktionsturbine bei einem bestimmten Gefälle ist.
Detaillierte Beschreibung der Ausgestaltungen
In 1 ist eine hydraulische Reaktionsturbine 10 gezeigt. Turbine 10 umfasst ein Gehäuse 12 durch das Wasser in die Turbine 10 eintritt. Das Wasser fließt durch die Stützschaufeln 14 und Leitschaufeln 16 und durch den Turbinenläufer 18, befestigt an einer drehbaren Nabe 20.
Das Wasser fließt vom Turbinenläufer 18 zum Eintritt 22 eines gekrümmten Saugrohrs 24. Die Wasserströmung ist graduell zum horizontalen Auslassaustritt 26 des Saugrohrs 24 geleitet. Das Saugrohr 24 ist für gewöhnlich aus Stahlbeton aufgebaut und das obere Teil hat eine Metall- oder eine gussplattierte Verkleidung. Angeordnet im Saugrohr 24, anschließend an den Ellbogen des Saugrohrs ist eine partielle Teilleitschaufel 28.
Bezugnehmend auf 1 bis 4 ist die partielle Teilleitschaufel 28 im Saugrohr 24 befestigt, sich teilweise über die Breite des Saugrohrs 24 erstreckend, um Strömung um den Ellbogen im Saugrohr 24 umzuleiten. Die Teilleitschaufel 28 hat gegenüberliegende seitliche Randflächen 30, die in vorbestimmten Abstand von den Seitenwänden 32 des Saugrohrs entfernt sind, um eine Wirbelströmung um die Teilleitschaufel 28 im Saugrohr 24 zuzulassen. Die Teilleitschaufel 28 erstreckt sich über weniger als 80% der Breite des Saugrohrs 24. In der gezeigten bevorzugten Ausgestaltung erstreckt sich die Teilleitschaufel 28 über etwas mehr als 50% der Breite des Saugrohrs 24. Die Teilleitschaufel 28 hat jede ihrer gegenüberliegenden seitlichen Randflächen 30 beabstandet von den Seitenflächen 32 des Saugrohrs 24, so dass die Teilleitschaufel 28 quer zur Breite des Saugrohrs 24 versetzt ist, wie am besten in 2 dargestellt. Die seitlichen Randflächen sind vorzugsweise abgerundete Ränder und umfasst vorzugsweise Rohrleitungen. In den 2 und 4 hat die Teilleitschaufel 28 auseinanderlaufende Wände 30, die der Divergenz der Saugrohrseitenwände 32 folgen.
Die Teilleitschaufel 28 ist auf Stützpfählen 34 befestigt, die eines ihrer Enden 46 verbunden mit und eingebettet in die untere Betonwand des Saugrohrs 24 haben. Das andere Ende der Pfähle 36 geht durch Öffnungen 38 in der Teilleitschaufel 28, an die die Pfähle an diesem Ende angeschweißt sind. Wetters sind die Pfähle 34 von Rohren 36 umgeben, die geformt sind, um den Widerstand auf die Strömung im Saugrohr 24 zu minimieren.
In der gezeigten Ausgestaltung hat der stromabwärts liegende Rand 40 der Teilleitschaufel 28 zwei Öffnungen 42. Die ausgenommenen Öffnungen 42 sind angeordnet, um damit in verbindender Weise einen entsprechenden, sich vom Saugrohr 24 erstreckenden Betonpfeiler 44 aufzunehmen.
Bezugnehmend auf 5 ist ein Diagramm des Wirkungsgrades der Turbine versus dem Durchsatz für ein bestimmtes Gefälle gezeigt. Die Kurve 50 repräsentiert die Teilleitschaufel 28 der gegenständlichen Erfindung. Die Kurve 60 repräsentiert ein Saugrohr 24 ohne die Verwendung einer Teilleitschaufel. Die Kurve 70 repräsentiert die Verwendung eines herkömmlichen Teilleitschaufel, die sich über die gesamte Breite des Saugrohrs 24 erstrecken würde. Dieses Diagramm zeigt, dass die partielle Teilleitschaufelkurve 50 die mit der herkömmlichen Teilleitschaufel verknüpften Vorteile bei Spitzendurchsätzen und einen verbesserten Wirkungsgrad gegenüber der Verwendung einer herkömmlichen Teilleitschaufel bei Durchsätzen unterhalb der Spitzendurchsätze hat. Diese letzte Leistungsverbesserung ergibt sich aufgrund der von den Seitenwänden 32 des Saugrohrs 24 beabstandeten partiellen Teilleitschaufel 28, um der Wirbelströmung im Saugrohr 24 zu ermöglichen, sich im Saugrohr 24 mit verringerter Störung fortzupflanzen.

Claims

Ein Saugrohr (24) für die Verwendung in einer Turbine (10) mit einem Turbinenläufer (18), das Saugrohr (24) umfasst: Seitenwände (32) mit einem Eintritt (22) zum Positionieren anschließend an den Turbinenläufer (18) und einem einen Strömungsausgang für die Turbine (10) festlegenden Austritt (26), die Seitenwände (32) des Saugrohrs (24) gehen zwischen Eintritt (22) und Austritt (26) in der Breite auseinander; einen gekrümmten Ellbogen, um den Austritt (26) im Wesentlichen senkrecht zum Eintritt (22) zu positionieren; dadurch gekennzeichnet, dass das Saugrohr (24) weiters eine Teilleitschaufel (28) umfasst, die im Saugrohr (24) befestigt ist und sich in der Nähe des Ellbogens und teilweise über die Breite des Saugrohrs (24) erstreckt, um Strömung im Saugrohr (24) um diesen Ellbogen umzuleiten, die Teilleitschaufel (28) hat gegenüberliegende von den Seitenwänden (32) beabstandete seitliche Randflächen (30), um eine Wirbelströmung um die Teilleitschaufel (28) im Saugrohr zuzulassen.
Eine hydraulische Reaktionsturbine (10) umfassend einen Turbinenläufer (18) und ein Saugrohr (24), das Saugrohr (24) hat Seitenwände (32), die einen an den Turbinenläufer (18) anschließend Eintritt (22) festlegen und einen Austritt (26), der einen Strömungsausgang für die Turbine (10) festlegt, das Saugrohr (24) hat einen Ellbogen, um den Austritt (26) im Wesentlichen senkrecht zum Eintritt (22) zu positionieren, das Saugrohr (24) divergiert in der Breite zwischen Eintritt (22) und Austritt (26); die Verbesserung umfasst eine Teilleitschaufel (28), die im Saugrohr (24) befestigt ist und sich teilweise über die Breite des Saugrohrs (24) erstreckt, um Strömung im Saugrohr (24) um diesen Ellbogen umzuleiten, und die Teilleitschaufel (28) hat gegenüberliegende von den Seitenwänden (32) beabstandete seitliche Randflächen (30), um eine Wirbelströmung um die Teilleitschaufel (28) im Saugrohr zuzulassen.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Teilleitschaufel (28) über weniger als ungefähr 80% der Breite des Saugrohrs (24) erstreckt.
Einrichtung nach Anspruch 3, wobei die gegenüberliegenden seitlichen Randflächen (30) der Teilleitschaufel (28) in Strömungsrichtung zum Austritt (26) hin auseinanderlaufen.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei sich die Breite der Teilleitschaufel (28) zwischen 50 und 80 Prozent der Breite des Saugrohrs (24) erstreckt und ihre gegenüberliegenden seitlichen Ränder im Wesentlichen im gleichen Abstand zu einem der anliegenden Seitenwänden (32) des Saugrohrs (24) hat.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei sich die Breite der Teilleitschaufel (28) über zwischen 50 und 80 Prozent der Breite des Saugrohrs (24) erstreckt.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei das Saugrohr (24) eine Mehrzahl von Stützpfählen (34) umfasst, die mit einem Ende eingebettet im Saugrohr (24) und mit dem anderen Ende verbunden sind, um die Teilleitschaufel (28) in nicht berührender Beziehung zu den Seitenwänden (32) des Saugrohrs (24) zu positionieren.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei das Saugrohr (24) eine Mehrzahl von Stützpfählen (34) umfasst, die mit einem Ende eingebettet im Saugrohr (24) und mit dem anderen Ende verbunden sind, um die Teilleitschaufel (28) in nicht berührender Beziehung zu den Seitenwänden (32) des Saugrohrs (24) zu positionieren.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Saugrohr (24) zumindest einen an den Austritt (26) anschließenden, sich in das Saugrohr (24) erstreckenden Pfeiler (44) umfasst, das Saugrohr (24) umfasst weiters eine Mehrzahl von Stützpfählen (34), die mit einem Ende eingebettet im Saugrohr (24) und mit dem anderen Ende verbunden sind, um die Teilleitschaufel (28) im Saugrohr (24) zu positionieren, die Teilleitschaufel (28) umfasst weiters zumindest eine den Pfeiler (44) aufnehmende Ausnehmung (42) adaptiert, um den Pfeiler (44) aufzunehmen und die Teilleitschaufel (28) am Pfeiler (44) zu stützen.
Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei die Stützpfähle (34) von Rohren (36) umgeben sind, die geformt sind, um die Effekte der Pfähle auf die Strömung im Saugrohr (24) zu minimieren.
Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 10, wobei die Stützpfähle (34) an einer unteren Fläche der Teilleitschaufel (28) befestigt sind.
Einrichtung nach Anspruch 2, wobei die Teilleitschaufel (28) quer zur Breite des Saugrohrs (24) versetzt befestigt ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Teilleitschaufel (28) quer zur Breite des Saugrohrs (24) versetzt befestigt ist.