DE7327606U

DE7327606U - DEVICE FOR AVOIDING VERTEBRAL TUBES IN THE SUCTION MANIFOLD OF FRANCISTURBINES

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Publication number: DE7327606U
Application number: DE7327606U
Authority: DE
Original assignee: Schlemmer Guenter Dipl Ing Dr Ing 8520 Erlangen
Current assignee: Schlemmer Guenter Dipl Ing Dr Ing 8520 Erlangen
Priority date: 1973-07-27
Filing date: 1973-07-27
Publication date: 1976-10-14

Description

Dr.-Ing. Günter Schlemmer 8000 riüncheri 81
Titureistr.7Dr.-Ing. Günter Schlemmer 8000 riüncheri 81
Titureistr. 7

Vorrichtung zur Vermeidung der Wirbelzöpfe im Saugrohr von FrancisturbinenDevice to avoid the vortex pigtails in the suction pipe of Francis turbines

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Vermeidung der Wirbelzöpfe im Saugrohr von 1"V-H-C ί S turbinen, die sich aus dem Laufradaustrittsgebie L tn das Saugrohr ziehen.Es ist bekannt,daß bei Teillast und bei sehr kleiner Einheit scirehzahi auch bei überlast diese Wirbel von schraubenförmiger Gestalt im Saugrohr präzedieren.Da im Wirbelkern ein Energieininimutn luit geringerem Druck als in der umgebenden Strömung vorliegt,übt der präzedierende Wirbelzopf Druekpulsationen auf die Saugrohrwand aus.Die Druekpulsationen gefährden den Betrieb der lurbinenanlage insbesondere,wenn sie zu Kesonanzpchvingungen des Saugrohres anregen.Der Energieinhn 1 1 .. ; rbel ,dessen Kern mit großer, annähernd konstanter Winkelgeschwindigkeit rotiert,geht dem Murbi— nenlaufrad verloren.Eine Beseitigung dieser Wirbel, durch die man zumindest einen Teil der Energie zurückgewinnen könnte,würde einen besseren Wirkungsgrad ergeben. The invention relates to an avoidance device of the vortex braids in the intake manifold of 1 "V-H-C ί S turbines, the The suction pipe emerges from the impeller outlet area L tn It is known that with partial load and with very small units scirehzahi these vortices even with overload precess of a helical shape in the suction tube in the vortex core an energy minimum luit lower Pressure than is present in the surrounding flow, the precessing vortex braid exerts pressure pulsations on the The pressure pulsations endanger the operation of the turbine system, especially when they are closed Excite resonance vibrations in the intake manifold 1 1 ..; rbel, the core of which with large, approximately constant Rotates angular velocity, goes the Murbi— An elimination of these eddies, through which at least some of the energy can be recovered could result in better efficiency.

£s sind zwar experimentelle Versuche bekannt,die darin bestehen,daß die x\abe 12 in verschiedenen Versionen ausgeführt wurde,indem man die Nabenspitze mehr oderIt is true that experimental attempts are known to have been made therein insist that the x \ abe 12 was executed in different versions by increasing the hub tip or

Η..1β.7ίΗ..1β.7ί

weniger abschnitt oder sie in das Saugrohr verlängerte. Der Einfluß dieser Maßnahmen auf die Wirbelzöpfe ist unbedeutend.Zieht man beispielsweise die nabenspitze •in riss fiaiixrrnhr. λο ν»*τ*1 « rr t*i~t. mrin 1 ariiiri irh dsn Rn flor" — — _ — — tj— r — - ■ — ν»» — - --- — — --—υ — - -less section or lengthened it into the suction tube. The influence of these measures on the pigtails is insignificant. If, for example, the tip of the hub is pulled into riss fiaiixrrnhr. λο ν »* τ * 1« rr t * i ~ t. mrin 1 ariiiri irh dsn Rn flor "- - _ - - tj— r - - ■ - ν» »- - --- - - --— υ - - -

wabenspitze beginnenden Zopf weiter stromabwärts ohne ihn dadurch jedoch zu beseitigen.The braid beginning on the honeycomb tip is further downstream without removing it.

Ks ist ferner bekannt,daß entweder durch die Laufradkuppelschrauben oder mit Hilfe eines zentralen,profilierten Belüftungszapfen im Saugrohr Luft zugeführt wird.Damit können die Druckschwankungen abgemildert ₉ aber ebenfalls nicht beseitigt werden.It is also known that air is supplied either through the impeller coupling screws or with the aid of a central, profiled ventilation pin in the suction pipe. This can reduce the pressure fluctuations ₉ but also cannot eliminate them.

Des weiteren ist eine Vorrichtung bekannt,die im Saugrohr stromabwärts vom Laufrad ein konzentrisches,zylindrisches itohr vorsieht,in welchem die Wirbelzöpfe gefangen werden unci sich gegenseitig durch iteibung abschwächen.Auch bei dieser Maßnahme wird die Entstehung des Wirbels nicht verhindert.Furthermore, a device is known in the suction pipe downstream of the impeller a concentric, cylindrical one itohr provides in which the pigtails are caught will and mutually weaken each other through friction this does not prevent the vortex from forming.

Aufgabe der Erfindung ist es daher,die Wirbelzöpfe und die damit verbundenen r.achteile zu beseitigen.The object of the invention is therefore, the pigtails and to eliminate the associated disadvantages.

Erfindungsgeinäß wird die Lösung der Aufgabe dadurch erreicht, daß man durch geeignete Abänderungen am Innenkranz 2 und an der Nabe 12 die Entstehung der Wirbel als solche verhindert.According to the invention, the object is achieved by that by making suitable changes to the inner rim 2 and the hub 12, the formation of the vertebrae as such prevented.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Francisturbine, bestehend im wesentlichen aus einer Spirale mit Stützschaufel^ einem verstellbaren Leitapparat,dem Turbinenlaufrad, einschließlich mehrerer Laufradschaufeln h ,dem Außenkranz 6 , dem Innenkranz 2 und der Nabe 12 ,sowie dem Saugrohr 8 ,die dadurch gekennzeichnet ist,daß der Innenkranz 2 und / oder die Nabe 12 in einem gewissen Abstand mit einem geschlossenen oder geteilten KingThe subject of the invention is therefore a Francis turbine, consisting essentially of a spiral with a support blade ^ an adjustable diffuser, the turbine runner, including several runner blades h , the outer ring 6, the inner ring 2 and the hub 12, as well as the suction pipe 8, which is characterized that the inner rim 2 and / or the hub 12 at a certain distance with a closed or split King

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umgeben und / oder mit bohrungen versehen ist,wobei die Bohrungen zum Ab- oder Zuführen von Wasser dienen.Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung erläutert.Es zeigt Fig.1 einen Querschnitt durch eine Francisturbine, Fig.2 einen bchnitt durch den Hing Io.surrounded and / or provided with bores, the bores being used for discharging or supplying water. The invention is explained below with reference to the drawing. It shows Fig.1 a cross section through a Francis turbine, Fig.2 a section through the Hing Io.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich der Ring 1 ο,beispielsweise in Form eines konischen Rohres,möglichst nahe der Laufradaustrittskante 7 so,daß die Mantelfläche des Hinges parallel zur Fläche des Innenkranzes 2 und der Nabe verlauft.Üie liefostigungsstege 11 des Hinges 1o können je nach Ausführung der Francis tux-bine an der i\abe12 oder am Innenkranz 2 angebracht sein.Die Verbindung an beiden Teilen kann durch Verschrauben oder durch Schweißen erfolgen.Die optimale Mantellänge des Ringes 1o und der günstigste Abstand zwischen Ring und Innenkranz 2 und / oder Nabe 12 richten sich nach den Abmessungen der Francistn:-.-bine. Um sir.sr! go= ringen Strömungswiderstand zu erziel e^., s_nd die Wandstärke des Ringes 1o und das Profil uer Halterungen 11 dünn und stromlinienförmig auszubilden und die i.anten abzurunden. Der schlitzförmige Ringhohlraum zwischen Ringio und Innenkranz 2 und / oder isabe 12 verringert für das durchströ mende Fluid vom Eintritt zum Austritt seine Querschnittsfläche und wirkt somit auf die Strömung beschleunigend als Düse.According to a preferred embodiment of the invention is the ring 1 ο, for example in the form of a conical tube, as close as possible to the impeller trailing edge 7 so that the outer surface of the ring runs parallel to the surface of the inner rim 2 and the hub 11 des Hinges 1o can be attached to the i \ abe12 or to the inner rim 2, depending on the version of the Francis tux-bine The connection on both parts can be done by screwing or welding. The optimal one Align the jacket length of the ring 1o and the most favorable distance between the ring and the inner rim 2 and / or the hub 12 according to the dimensions of the Francistn: -.- bine. To sir.sr! go = struggle to achieve flow resistance, s_nd the wall thickness of the ring 1o and the profile uer brackets 11 to form thin and streamlined and to round off the i.anten. The slit-shaped ring cavity between the ringio and the inner rim 2 and / or isabe 12 reduces its cross-sectional area for the fluid flowing through from the inlet to the outlet and thus has an accelerating effect on the flow as a nozzle.

Gemäß einer weiteren Aus führung ε-form der Erfindung wird der Ring 1o so angebracht,daß der Abstand der Ringkanten des Ringes ( a,b jzum Innenkranz 2 und / oder der Nabe verschieden ist und damit die Düsenwirkung variiert wird.According to a further embodiment, ε-form of the invention the ring 1o attached so that the distance between the ring edges of the ring (a, b j to the inner rim 2 and / or the hub is different and thus the nozzle effect is varied.

Eine weitere Möglichkeit zur Beeinflußung des Dralles nach dem Turbinenlaufrad,der wie später erläutert wird an der Entstehung der Wirbelzöpxe beteiligt ist,ergebenAnother possibility for influencing the swirl after the turbine runner, which will be explained later is involved in the creation of the Wirbelzöpxe

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sich in uer Ausführung der Halterungen 11.BiIdGt man diese liei'estigungsbtege 11 so aus,daß die höhe der nach wio vor dünnwandigen btogquerschnitte der Mantelhöhe des Rings entsprechen, so kann man ihre ümlenkwirkung auf den Drall ausnutzen.in the design of the brackets 11 Liei'estigungsbtege 11 so that the height of the to wio in front of thin-walled btog cross-sections of the shell height of the Rings correspond, so one can their deflecting effect on the Take advantage of the twist.

Eine weitere Ausgestaltung der E-rf iiidung besteht darin, daß inaii den konusföriiiigen Hing 1U beweglich konstruiert, Zu diesem Zweck bildet man King 10 so aus, daß er bei Teill^stbe trieb wie bi.sher besprochen und in Fig. 1 gezeichnet angebracht ibt, daß er aber beim Turbinenbestpunkt und bei überlast zum Innenkranz 2 und der Nabe 12 zurückgefahren wird, um bei den letzteren Betriebspunkten die ur&prüii(;l iche und hier zweckmäßigere ivontur des Innenkranzes 2 und der Nabe 12 zu erhalten. Es ist nötig, den King 10 in mindestens zwei Teilrin^e zu teilen, damit er auf einen kleinerer, bozw. größeren Umfang verschoben verden kann. Die radiale verschiebung der befestigungsstege 11 , die die einzelnen Kingted Ie halten, kann magnetisch oder mechanisch erfolgen. Ua die am. Ring 10 und an den Stegen 11 auftretenden hydraulischen ivräfte sehr gering und nicht mit denjenigen zu: vergleichen sind, die an Flügeln von Aaplanturbinen angreifen, sind auch die zu übertragenden Kräfte im Verstellmechanismus, der wie bei Kaplanturbinen innerhalb der Nabe 12 oder aes lnrienkranzes 2 untergebracht sein kann, weniger problematisch. Die Wirkung des geteilten und damit unterbrochenen Ringes 10 ist deswegen noch vorhanden, weil die Wirbelzöpfe wegen ihrer Präzession auf dem Laufradboden (2,12) uniwandern.Another embodiment of the invention consists in that inaii the conical Hing 1U is constructed to be movable, For this purpose, King 10 is trained to be at Partial drive as discussed earlier and shown in Fig. 1 attached, but at the turbine best point and at overload to the inner rim 2 and the hub 12 is reduced to at the latter operating points the ur & Prüii (; l iche and here more appropriate ivontur des Inner rim 2 and the hub 12 to get. It is necessary, to divide the King 10 into at least two part rings so he on a smaller, bozw. shifted to a larger extent can verden. The radial displacement of the fastening bars 11 that hold each kingted Ie can be magnetic or be done mechanically. Including the am. Ring 10 and hydraulic forces occurring at the webs 11 low and not to be compared with those who are attack on the wings of Aaplan turbines, they are also closed transferring forces in the adjustment mechanism, which as in Kaplan turbines within the hub 12 or aes lnrienkranzes 2 can be accommodated, less problematic. the The effect of the divided and thus interrupted ring 10 is still present because the pigtails because of their precession on the bottom of the impeller (2,12).

Eine weitere Variante der Erfindung besteht darin, daß man über mehrere am Umfang verteilte bohrungen am Innen— kranz 2 nach eiern Laufrad das Totwasser absaugt. Die üblichen Ausgleichsbohrungen 5 * die den Axialschub vermindern, indem sie den Raum nach dem Laufrad mit dem ober-Another variant of the invention consists in that one has several bores distributed around the circumference on the inside. wreath 2 sucks off the dead water after an impeller. The usual compensation bores 5 * which reduce the axial thrust, by opening the space after the impeller with the upper

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halb lies Innenkranzes 2 belogenen l;auin verbinden, iier ohne Ausgleichsbohrungen höheren i,ruck aufweist, arbeiten dieser Absaugung entgegen .L>.h. verstopft man die Ausgleichsbohrungen 5 ,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 ain Innenkranz 2 können durch den Turbinendeckel 1 mit einer Evakuierungspuiupe verbunden werden.Die Absaugstellen am Innenkranz 2 können auch schlitzförmig ausgeführt sein.half lied inner wreath 2 lied; auin connect, iier without compensating bores having a higher i, jerk against this suction .L> .h. the compensating holes are blocked 5, whereby one accepts a higher axial thrust and a higher load on the bearing, see above If the pigtails of the vertebrae are already weakened, the holes provided for suction in the inner rim 2 can pass through the Turbine cover 1 connected to an evacuation puupe The suction points on the inner rim 2 can also be 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 sine¹, die Mündungen der Bohrungen so ge-' 'Ι I et,daß die Druckwasserstrahlen möglichst tangential an der Oberfläche des Innenkranzes 2 in ungefährer Richtung zur :\abenspitze mit geringer Komponente in Turbinen— drehrichtung 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 consists in supplying high-energy water through several bores on the circumference of the inner rim 2 after the impeller and thus causing the flow to apply again. For this purpose, the mouths of the bores, sine ¹ so- '' Ι I et that the pressure water jets as possible tangential to the surface of the inner ring 2 in the approximate direction for: \ abenspitze low component in turbine rotational direction entlangschießen.Die pressure water removal can to taken from the pressure edge 3 of the impeller or from the spiral.

Es wird angenommen,daß der erf indungsgeiiiäße Effekt dadurch erreicht wird,weil die btröniungsverhaltnisse am Innenkrarz und an der i\abe und die Drallverteilung im Saugrohr von entscheidender Bedeutung für die Entstehung der Wirbelzöpfe sind.Die bisherige Vorstellung sagte folgendes aus: auf Grund von ZirkulaLionsuntorschiedoii im Laufrad schwimmen freie Wirbelfäcien aus den einzelnen Laufradkanälen heraus und bilden diese Wirbel. Diese Mlieorie kann nicht bestätigt werden,In keinem jietriebspuir t kommen die Wirbelzöpfe aus dem Laufrad heraus.Ihr Ursprung liegt vielmehr außerhalb des Laufrades am Innenkranz 2 oder an der i'.abe 12.Bei Überlast liegt die Meri- It is assumed that the effect according to the invention is achieved because the diffusion conditions on the inner crotch and on the i \ abe and the swirl distribution in the suction pipe are of decisive importance for the formation of the vortex braids In the impeller, free vortex feces swim out of the individual impeller channels and form these eddies. This Mlieorie can not be confirmed, in no jietriebspuir t eddy pigtails coming out of the impeller heraus.Ihr origin lies much outside of the impeller on the inner rim 2 or the i'.abe 12.Bei overload is the Meri-

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dianströmung,die für den Durchfluß maßgebend ist,am Innenkranz 2 an und folgt der Kontur der Nabe bis zur
Spitze.Infolge des Drallerhaltungssatzes c · r = konst
wächst die bei Überlast vorhandene Komponente der Absolutgeschwindigkeit in negativer Umfangsrichtung
( = Turbinendrehrichtung ) c am Laufradaustritt des
Innenkranzes 2 enorm an,während sich die Strömung zur
Nabenspitze fortbewegt.Die Rotation an der habenspitze dürfte so hoch sein,daß gemäß der DruckabseiJcung
1/q -(dp/dr) = c / r der Dampfdruck des Wassers unterschritten wird und der Wirbelkern mit Wasserdampf gefüllt ist.Die axial symmetrie ehe Strömung um die i\abe bewirkt die ZenÄerung des Wirbels, soclaß dieser exakt an der Nabenspitze beginnt und sich meist gerade wie ein
Schlauch in das Saugrohr zieht.Wird bei Überlast die
Einheitsdrehzahl sehr stark verringert und damit der
negative Drall im Saugrohr erhöht,so präzediert der ebenfalls noch an der Nabenspitze beginnende Wirbel stromabwärts. dianströmung, which is decisive for the flow, on the inner rim 2 and follows the contour of the hub up to
As a result of the law of conservation of twist c r = const
the component of the absolute speed that is present in the event of an overload increases in the negative circumferential direction
(= Direction of rotation of the turbine) c at the impeller outlet of the
Inner wreath 2 increases enormously while the flow to the
The rotation at the tip of the hub should be so high that, according to the pressure drop
1 / q - (dp / dr) = c / r the vapor pressure of the water is fallen below and the vortex core is filled with water vapor. The axial symmetry before the flow around the i \ abe causes the zening of the vortex, so that it begins exactly at the tip of the hub and mostly just like a
Pulls the hose into the suction tube. In the event of an overload, the
Unit speed very much reduced and thus the
If the negative swirl in the intake manifold increases, the vortex, which also begins at the hub tip, precesses downstream.

Bei Teillast sind die Strömungsverhältnisse nicht mehr axialsymmetrisch.Die Meridianströmung folgt nicht mehr dem Innenkranz 2 .Örtlich nicht über den ganzen Umfang verteilt,sammelt sich Totwasser an.In der Grenzschicht hat sich an diesen Gebieten die gesunde Strömung abgelöst.Genau an den Totwassergebieten setzen die Wirbelzöpfe an,Sind zwei gegenüberliegende Totwasserblöcke
vorhanden,so wachsen zwei Wirbelzöpfe von diesen Stellen in das Saugrohr.Durch die den Durchfluß blockierende
Wirkung des seitlich an der Nabenwand beginnenden Wirbels,dessen Kern sehr dick werden kann,folgt in benachbarten Meridianebenen die Strömung wieder mehr dem Innenkranz. Je nach Betriebspunkt wandert der Ursprung der Teillastwirbel mehr zum Innenkranz 2 hoch oder zur Nabenspitze herab»Sowohl die sehr hohe Rotation des Wirbelkerns als auch sein Umlauf um die gedachte Turbinenachse,die sogenannte Präzession,erfolgen im Kichtungs-At partial load, the flow conditions are no longer axially symmetrical. The meridional flow no longer follows the inner rim 2. Not locally distributed over the entire circumference, dead water collects. In the boundary layer, the healthy flow has separated in these areas Vortex braids on, are two opposing dead water blocks
present, two vortex braids grow from these places into the suction tube, through which the flow is blocked
Effect of the vortex beginning on the side of the hub wall, the core of which can become very thick, the flow in neighboring meridian planes follows the inner rim again. Depending on the operating point, the origin of the part-load vortex moves more up to the inner rim 2 or down to the hub tip »Both the very high rotation of the vortex core and its rotation around the imaginary turbine axis, the so-called precession, take place

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sinn des jeweiligen Dralles im Saugrohr,d.h. bei Teillast im iiinn der Turbinendrehrichtung und bei Überlast entgegengesetzt.Da in der Praxis an Wasserturbineiianla— gen normalerweise keine Überlastbetriebspunkte von so kleiner Einheitsdrehzahl wie an einer nodellturbine vorkommen,daß der Überlastwirbelzopf präzediert,beschränken sich hier die Maßnahmen auf den Rückgewinn der Energie des Wirbelschlauchs.Im häufig vorkommenden Teil — lastbetrieb gewinnt man durch die Abschwächung oder die Beseitigung der Wirbelzöpfe Energie zurück und verhindert den schädlichen Einfluß der Druckpulsationen auf die Anlage.Vermeidet man bei Teillast die Entstehung des Totwassers,so verhindert man die Bildung der Wirbelzöpfe. sense of the respective swirl in the intake manifold, i.e. at part load in the direction of rotation of the turbine and in the opposite direction in the event of an overload. gen normally no overload operating points of this lower unit speed, such as on a model turbine, that the overload vortex braid precesses, the measures are limited here to the recovery of energy of the vertebral tube. In the frequently occurring part - load operation is recovered and prevented by weakening or eliminating the vortex braids the harmful influence of pressure pulsations on the system, which can be avoided at partial load of the dead water, this prevents the formation of the vortex braids.

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Claims

Sayings:

1. Francis turbines, consisting essentially of one Spiral with support blade, an adjustable guide apparatus Turbine runner, including several

Impeller blades (4), the outer ring (6; your inner ring ^ 2) and the hub (12), as well as the suction pipe (8), characterized in that the inner ring (2) and / or the hub (.12) in one A certain distance is surrounded by a closed or divided Hing (1o) and / or provided with bores, the Liohrungen serving for the supply or supply of water.

2. Turbine according to claim 1, characterized in that the coat eleven of the ring i1o) parallel to the upper « area of the inner rim (2) and / or the have (12) runs.

3. Turbine according to claim 1, dadurcli gekennze.i chnet that the distance between the lving edges of the hanging (loj a, b to Inner rim (2) and / or the hub (12) is different.

4. Turbine according to An: Claim 1 to 'J, characterized in that the King (1o) is firmly connected to the inner rim (2) and / or the hub (12) via webs (11), the' tege ( 11) are preferably designed so that the swirl flow between King (1o) and inner rim (2) respectively. the hub (12) is advantageously influenced.

5. Turbine according to claim 1,2 and 4, characterized in that the King (1o ^ divided into at least two parts and with respect to the distance from the Innon rim (2) and / or the hub (12) is adjustable, the inner iiantelflache dos Kings ( ) 0) , if necessary in a corresponding Vertieiingon, rests on your inner rim (2) and / or the hub.

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6. Turbine according to claim 1 to 5, characterized in that net that the holes are slot-shaped.

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