EP2635800A2 - Pumpe in francis-bauweise für ein wasserkraftwerk - Google Patents

Pumpe in francis-bauweise für ein wasserkraftwerk

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EP2635800A2
EP2635800A2 EP11773684.3A EP11773684A EP2635800A2 EP 2635800 A2 EP2635800 A2 EP 2635800A2 EP 11773684 A EP11773684 A EP 11773684A EP 2635800 A2 EP2635800 A2 EP 2635800A2
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EP
European Patent Office
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counter
impeller
pump
swirl
francis
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11773684.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bernd Mayr
Martin Giese
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Filing date
Publication date
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Publication of EP2635800A2 publication Critical patent/EP2635800A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/04—Blade-carrying members, e.g. rotors for radial-flow machines or engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/02—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side of rotors, e.g. Francis turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B15/00—Controlling
    • F03B15/005—Starting, also of pump-turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/10—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines
    • F03B3/103—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto characterised by having means for functioning alternatively as pumps or turbines the same wheel acting as turbine wheel and as pump wheel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/132—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines creating a vortex or tornado effect
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a pump in Francis construction for a hydroelectric power plant for pumping water from an underwater pool to a
  • Such a pump has an impeller, a volute and a suction tube.
  • It can be part of a pumped storage plant. As such, it can be operated as a turbine in the flow of water from the upper reservoir to the underwater pool. See WO 2010/094887 AI.
  • Such a pump is designed for certain, power plant-related parameters, especially on a certain head and a certain throughput.
  • the problems occur when the head goes beyond a design basis. This can happen, for example, when the surface water level is particularly high, or when the underwater level is particularly low, or when both occur simultaneously. They have thus recognized the head as a particularly critical size.
  • the invention has for its object to design a pump of the type mentioned in such a way that the flow is stable even at high heights and allows the start of the pump.
  • the solution consists of the following:
  • a number of guide elements are assigned to the suction tube, which are arranged on the circumference of the suction tube and which are engageable during the startup of the pump in the flow guided by the suction pipe.
  • the vanes are configured and arranged to impart to the flow an opposite twist to the rotation of the impeller. This allows the flow to stabilize when starting.
  • Figure 1 shows a Francis pump as part of a hydropower plant in
  • Figure 2 shows a schematic representation of that part of the suction pipe, which is followed by the impeller, in an axial section.
  • Figure 3 shows the subject matter of Figure 2 in a view III - III.
  • FIG. 4 shows schematically an axially perpendicular section through the suction tube with a plurality of hydraulic swirl generators.
  • FIG 5 shows a suction tube according to the prior art with streamlines.
  • the Francis pump shown in Figure 1 comprises an impeller 1, which is enclosed by a spiral housing 2.
  • the impeller 1 is preceded by a suction pipe 3. From the volute the flow generated by the impeller 1 is fed into a riser 4.
  • Impeller 1 and electric motor 5 are arranged coaxially and are connected via a shaft 6 with each other
  • Suction tube 3 has an inlet section 3.1, a manifold 3.2 and a runner 1 upstream outlet section 3.3.
  • Decisive component is a device for generating a swirl
  • This device comprises a plurality of
  • Counter-swirl generators 7. These are arranged at the outlet section 3.3 of the suction pipe. See Figures 2 and 3.
  • the counter-swirl generator 7 shown in FIG. 2 is constructed as follows:
  • a guide element 7.1 is by means of a
  • the guide element can be schaufeiförmig. From Figure 3 it can be seen that the guide element 7.1 against the plane of
  • Rotary axis 1.1 is inclined. This is a prerequisite for creating a swirl in the flow in the outlet section 3.3. It is also conceivable to store the guide element 7.1 in an adjustable manner, so that the inclination against the plane of the rotation axis 1.1 and thus also the twist are changed.
  • There are several counter-swirl generator 7 are provided, for example, 2, 3, 4. However, it is also conceivable to provide only a single counter-swirler 7.
  • the counter-swirl generator can also have a different shape than that shown.
  • the guide element can also be designed as a rotatable element, comprising a rotation axis and a plurality of blades seated on the rotation axis. Also, a non-mechanical solution may be considered.
  • nozzles can be provided with which the intake manifold is equipped, for example in its outlet section 3.3.
  • the nozzles are connected to a flowable medium, generally water, and are directed so that the desired counter-rotation is generated in the flow in the suction tube 3.
  • FIG. 4 schematically illustrates a hydraulic solution.
  • a plurality of swirl generating nozzles 8 are arranged in the wall of the suction tube 3 .
  • water jets are introduced.
  • the beam direction is illustrated by the arrows.
  • FIG. 5 schematically shows a suction pipe 3 of a hydraulic pump
  • Counter-rotating generators equipped. As you can see, it comes to the inner wall portions of the curvature of the suction pipe to detachments X.
  • the invention can also be applied to pump turbines. In such a case, the counter-swirl generators are activated in pumping mode - again only when starting up.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
  • Hydraulic Turbines (AREA)
  • Control Of Water Turbines (AREA)
  • Control Of Non-Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Pumpe in Francis-Bauart, umfassend die folgenden Merkmale: - ein Laufrad; - ein Spiralgehäuse; - ein Saugrohr; - einen im Zulauf zum Laufrad angeordneten Gegendrallerzeuger, der während des Anfahrens der Pumpe aktivierbar, und nach dem Anfahren deaktivierbar ist, und der einen entgegen der Drehrichtung des Laufrades wirkenden Drall erzeugt.

Description

Pumpe in Francis-Bauweise für ein Wasserkraftwerk
Die Erfindung betrifft eine Pumpe in Francis-Bauweise für ein Wasserkraftwerk zum Pumpen von Wasser von einem Unterwasserbecken zu einem
Oberwasserbecken.
Eine solche Pumpe weist ein Laufrad auf, ein Spiralgehäuse sowie ein Saugrohr.
Sie kann Bestandteil eines Pumpspeicherwerkes sein. Als solche kann sie bei Strömung des Wassers vom Oberwasserbecken zum Unterwasserbecken als Turbine betrieben werden. Siehe WO 2010/094887 AI.
Eine solche Pumpe ist auf gewisse, kraftwerkbedingte Parameter ausgelegt, vor allem auf eine gewisse Förderhöhe und einen gewissen Durchsatz.
Bei solchen Pumpen kommt es immer wieder zu Problemen beim. Anfahren. Die Probleme liegen darin, dass es beim Anfahren gar nicht zum Fördern von Wasser kommt, weil die Strömung instabil ist. Die Erfinder haben folgendes erkannt:
Die Probleme treten dann auf, wenn die Förderhöhe über ein bei der Konstruktion zugrunde gelegtes Maß hinausgeht. Dies kann zum Beispiel dann eintreten, wenn der Oberwasserspiegel besonders hoch ist, oder wenn der Unterwasserspiegel besonders niedrig ist, oder wenn beides gleichzeitig eintritt. Sie haben somit die Förderhöhe als besonders kritische Größe erkannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass die Strömung auch bei großen Förderhöhen stabil ist und das Anfahren der Pumpe ermöglicht. Die Lösung besteht in Folgendem:
Im Zulauf zur Pumpe werden Drallerzeuger vorgesehen
Insbesondere werden dem Saugrohr eine Anzahl von Leitelementen zugeordnet, die am Umfang des Saugrohres angeordnet sind und die während des Anfahrens der Pumpe in die vom Saugrohr geführte Strömung einrückbar sind.
Die Leitelemente sind derart gestaltet und angeordnet, dass sie der Strömung einen zur Umdrehung des Laufrades entgegengesetzten Drall verleihen. Damit lässt sich die Strömung beim Anfahren stabilisieren.
Ist beim Anfahren durch den Gegendrall erst einmal eine stabile Strömung hergestellt, so können die Leitelemente wieder ausgerückt werden.
Die Erfindung sowie der Stand der Technik sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt eine Francis-Pumpe als Bestandteil eines Wasserkraftwerkes im
Aufriss.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung denjenigen Teil des Saugrohres, an den sich das Laufrad anschließt, in einem Axialschnitt.
Figur 3 zeigt den Gegenstand von Figur 2 in einer Ansicht III - III.
Figur 4 zeigt schematisch einen achssenkrechten Schnitt durch das Saugrohr mit einer Mehrzahl von hydraulischen Drallerzeugern.
Figur 5 zeigt ein Saugrohr gemäß dem Stande der Technik mit Stromlinien. Die in Figur 1 gezeigte Francis-Pumpe umfasst ein Laufrad 1, das von einem Spiralgehäuse 2 umschlossen ist. Dem Laufrad 1 ist ein Saugrohr 3 vorgeschaltet. Aus dem Spiralgehäuse wird der vom Laufrad 1 erzeugte Förderstrom in eine Steigleitung 4 eingespeist.
Das einlaufseitige Ende des Saugrohres taucht in ein hier nicht gezeigtes
Unterwasserbecken ein. Das auslaufseitige Ende der Steigleitung 4 mündet hier nicht gezeigtes Oberwasserbecken.
Die Pumpe ist von einem Elektromotor 5 angetrieben. Laufrad 1 und Elektromotor 5 sind koaxial angeordnet und stehen über eine Welle 6 miteinander in
Triebverbindung.
Saugrohr 3 weist einen Einlaufabschnitt 3.1, einen Krümmer 3.2 sowie einen dem Laufrad 1 vorgeschalteten Auslassabschnitt 3.3 auf.
Entscheidendes Bauteil ist eine Einrichtung zum Erzeugen eines Dralles
gegenläufig zum Laufrad 1. Diese Einrichtung umfasst eine Mehrzahl von
Gegendrallerzeugern 7. Diese sind am Auslassabschnitt 3.3 des Saugrohres angeordnet. Siehe die Figuren 2 und 3.
Der in Figur 2 gezeigte Gegendrallerzeuger 7 ist wie folgt aufgebaut:
Die Wandung des Auslassabschnittes 3.3 weist in ihrem dem Laufrad nahen Bereich eine Tasche 3.4 auf. Ein Leitelement 7.1 ist mittels einer
Versteileinrichtung 3.5 mehr oder minder weit zur Drehachse 1.1 des Laufrades 1 verschiebbar. Das Leitelement kann schaufeiförmig sein. Aus Figur 3 ist erkennbar, dass das Leitelement 7.1 gegen die Ebene der
Drehachse 1.1 geneigt ist. Dies ist Voraussetzung dafür, dass im Auslaufabschnitt 3.3 ein Drall in der Strömung erzeugt wird. Es ist auch denkbar, das Leitelement 7.1 verstellbar zu lagern, sodass die Neigung gegen die Ebene der Drehachse 1.1 und damit auch der Drall verändert werden. Es sind mehrere Gegendrallerzeuger 7 vorgesehen, beispielsweise 2, 3, 4. Jedoch ist es auch denkbar, nur einen einzigen Gegendrallerzeuger 7 vorzusehen. Der Gegendrallerzeuger kann auch eine andere Gestalt aufweisen, als der dargestellte. So kann das Leitelement auch als drehbares Element ausgebildet sein, umfassend eine Drehachse und eine Mehrzahl von auf der Drehachse sitzenden Schaufeln. Auch kann eine nicht-mechanische Lösung in Betracht kommen. So können beispielsweise Düsen vorgesehen werden, mit denen das Saugrohr bestückt ist, beispielsweise in seinem Auslassabschnitt 3.3. Die Düsen sind an ein fließfähiges Medium anschließbar, im Allgemeinen Wasser, und sind derart gerichtet, dass in der Strömung im Saugrohr 3 der gewünschte Gegendrall erzeugt wird. Figur 4 veranschaulicht schematisch eine hydraulische Lösung. In der Wandung des Saugrohres 3 sind mehrere Drallerzeugungsdüsen 8 angeordnet. Hier werden Wasserstrahlen eingeleitet. Die Strahlrichtung ist durch die Pfeile veranschaulicht.
Figur 5 zeigt schematisch ein Saugrohr 3 einer hydraulischen Pumpe mit
Stromliniendiagramm. Das Saugrohr ist nicht mit erfindungsgemäßen
Gegendrallerzeugern ausgestattet. Wie man sieht, kommt es an den inneren Wandbereichen der Krümmung des Saugrohres zu Ablösungen X. Die Erfindung lässt sich auch bei Pumpturbinen anwenden. In einem solchen Falle werden die Gegendrallerzeuger im Pumpbetrieb aktiviert - wiederum nur beim Anfahren.
Bezugszeichen liste
1 Laufrad
1.1 Drehachse
2 Spiralgehäuse
3 Saugrohr
3.1 Einlaufabschnitt
3.2 Krümmer
3.3 Auslassabschnitt
3.4 Tasche
3.5 VerStelleinrichtung
4 Steigleitung
£ Elektromotor
6 Welle
7 Gegendrallerzeuger
7.1 Leitelement
8 Drallerzeugungsdüsen

Claims

Patentansprüche
1. Pumpe in Francis-Bauart, umfassend die folgenden Merkmale:
1.1 ein Laufrad (1);
1.2 ein Spiralgehäuse (2);
1.3 ein Saugrohr (3);
1.4 einen im Zulauf zum Laufrad (1) angeordneten Gegendrallerzeuger (7), der während des Anfahrens in Pumprichtung aktivierbar, und nach dem
Anfahren deaktivierbar ist, und der einen entgegen der Drehrichtung des Laufrades (1) wirkenden Drall erzeugt.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gegendrallerzeuger (7) Bestandteil einer Pumpturbine ist.
3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gegendrallerzeuger Leitelemente (7.1) umfasst.
4. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der
Gegendrallerzeuger eine Mehrzahl von Drallerzeugungsdüsen (8) umfasst.
5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendrallerzeuger im Auslaufabschnitt (3.3) des Saugrohres angeordnet ist.
6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gegendrallerzeuger eine Mehrzahl von Einheiten umfasst, die um die Drehachse (1.1) herumgruppiert sind.
EP11773684.3A 2010-11-02 2011-10-14 Pumpe in francis-bauweise für ein wasserkraftwerk Withdrawn EP2635800A2 (de)

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