EP2753823A2 - Francis-turbine oder francis-pumpe oder francis-pumpturbine - Google Patents

Francis-turbine oder francis-pumpe oder francis-pumpturbine

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EP2753823A2
EP2753823A2 EP12741259.1A EP12741259A EP2753823A2 EP 2753823 A2 EP2753823 A2 EP 2753823A2 EP 12741259 A EP12741259 A EP 12741259A EP 2753823 A2 EP2753823 A2 EP 2753823A2
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EP
European Patent Office
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impeller
ring
francis
spiral
turbine
Prior art date
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Withdrawn
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EP12741259.1A
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English (en)
French (fr)
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Thomas KÄCHELE
Martin Giese
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Voith Patent GmbH
Original Assignee
Voith Patent GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/16—Stators
    • F03B3/18—Stator blades; Guide conduits or vanes, e.g. adjustable
    • 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
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    • 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 Francis turbine or pump or pump turbine, in particular the distributor of such a turbine, which is used to supply the
  • Francis turbines are adapted to different operating conditions by adjusting the vanes. Nevertheless, especially under
  • baffles may be formed as fins, which are oriented in the axial direction. This form leads to a suppression of the
  • variable baffles have been developed which
  • baffles can be pivoted about an axis parallel to the machine axis according to the operating conditions.
  • Further types of baffles are oriented parallel to the wall surfaces of the suction tube and thus prevent by the stabilization of the flow between baffle and suction tube wall a detachment of flow areas.
  • this construction also reduces the energy yield of the turbines.
  • static or variable designs increase the expense of turbine manufacture and maintenance and are therefore a cost-relevant factor.
  • other measures are known, but they are either expensive or worsen the efficiency of the machine. See DE 102 13 774 AI.
  • a hitherto unrecognized problem lies in the following: All traverses of the truss ring so far have the same geometry. However, the volute is not ideal rotationally symmetric. Especially with pump turbines with different flow opening this asymmetry is thereby reinforced.
  • the invention has for its object to design a hydraulic machine of the type mentioned above such that the asymmetry of the flow decreases and thus the flow in the region of the truss ring is uniform.
  • the core idea of the invention is to provide an outer vane ring in addition to the truss ring. The flow thus emerges from the
  • a portion of the truss ring with larger trusses extends over a portion of the circumference of the impeller, starting at the beginning of the spiral, and a portion of the truss ring with smaller trusses extends beyond the wider circumference of the impeller to the end of the spiral.
  • the size of the trusses thus decreases until the end of the spiral. The decrease can be continuous.
  • An advantageous embodiment is to arrange the vanes of the outer vane ring (thus of the first through-flow) to the end of the spiral, but not at the beginning of the spiral.
  • Another idea is to use the traverses of the truss ring in
  • FIG. 1 shows the essential components of a conventional Francis turbine in a meridian section.
  • Figure 2 shows an axial section of a Francis turbine according to the invention.
  • FIG. 3 shows the Francis turbine according to FIG. 2 in an axis-perpendicular
  • the Francis turbine shown in Figure 1 has an impeller 1. This comprises a plurality of blades 1.1.
  • the impeller 1 passes around a rotation axis 2.
  • the impeller 1 is enclosed by a spiral housing 3.
  • the spiral casing 3 is, for example, of circular cross section. It has an encircling
  • the opening slot is limited by circumferential edges 3.1, 3.2.
  • a truss ring 4 connects at the circumferential, formed from the edges 3.1, 3.2 slot. This has two traverse ring decks 4.1 and 4.2. A Traverse 4.3 serves as a tie rod.
  • the areas of the peripheral edges 3.1, 3.2 of the spiral housing are welded to the cross-ribbed decks 4.1, 4.2. Between traverse ring and impeller a nozzle with vane 5 is provided.
  • a suction pipe 6 is connected, which has a plurality of sections.
  • the spiral housing is of circular cross-section.
  • the areas of the circumferential edges are at the connection points to the two
  • the Francis turbine according to the invention shown in FIGS. 2 and 3 in turn has an impeller which is not shown here, but it is the latter
  • Rotary axis 2 The impeller has a spiral housing 3. You recognize one
  • Traverse Ring 4 This includes a number of "big” Traverses 4.4 and “small” Traverses 4.5. See Figure 3.
  • the cross-membered ring part starts with the large traverses 4.4 at the beginning of the spiral and extends approximately to half of the circumference of the impeller. Then follow the part of the truss ring with the small spirals 4.5. This part of the truss ring extends to the end of the spiral.
  • a conventional inner vane ring with vanes 5.1 This vane ring extends around the entire circumference of the impeller, not shown.
  • This second outer vane ring extends only over part of the Circumference. It starts where the traverse ring starts with the small traverses 4.5.
  • Vanes 5.2 Vanes 5.2.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Francis-Turbine oder eine sonstige, nach dem Francis- Prinzip aufgebaute Maschine; mit einem Laufrad, das Laufschaufeln aufweist; mit einem Spiralgehäuse, das das Laufrad umschließt; mit einem Traversen ring, umfassend eine Anzahl von Traversen; mit einem inneren Leitschaufelring mit größeren Traversen, der dem Traversenring nachgeschaltet ist. Die Erfindung ist durch die folgenden Merkmale gekennzeichnet: es ist ein äußerer Leitschaufelring vorgesehen, der dem Traversenring vorgeschaltet ist; ein Teil des Traversenringes erstreckt sich mit größeren Traversen über einen Teil des Umfanges des Laufrades, beginnend am Anfang der Spirale, und ein Teil des Traversen ringes erstreckt sich mit kleineren Traversen über den weiteren Umfang des Laufrades bis zum Ende der Spirale.

Description

Francis-Turbine oder Francis-Pumpe oder Francis-Pumpturbine
Die Erfindung betrifft eine Francis-Turbine oder -Pumpe oder -Pumpturbine, insbesondere der Leitapparat einer solchen Turbine, der zur Zuleitung des
Wassers zum Laufrad dient.
An Wasserturbinen wie Francis-Turbinen werden zunehmend höhere
Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrades und des möglichst ausgedehnten Arbeitsbereiches gestellt. Wünschenswert ist ein variabler Einsatz hinsichtlich der Wasserdurchflussmenge vom extremen Teillastbetrieb bis hin zum Überlastbetrieb. In allen Lastbereichen soll ein möglichst hoher Wirkungsgrad bei gleichzeitig schwingungsfreiem Lauf der Turbine erreicht werden.
Francis-Turbinen werden an unterschiedliche Betriebsbedingungen durch die Verstellung der Leitschaufeln angepasst. Dennoch treten insbesondere unter
Teillast instationäre Strömungsverhältnisse auf, die zu starken Schwingungen an der Maschine führen. Materialschäden als Folge können insbesondere dann eintreten, wenn die Eigenfrequenzen von Bauteilen mit diesen Schwingungen übereinstimmen. Eine weitere negative Folge von Turbinenvibrationen sind vor allem für große Maschinen die Auswirkungen, die diese Schwingungen auf das Stromnetz haben. Gleichlaufunruhen werden über den Generator in das
Stromnetz eingekoppelt und machen sich dort als Leistungsschwankungen unangenehm bemerkbar. Daraus ergeben sich nachteilige Einschränkungen des Turbinenbetriebsbereichs. So sind kritische Teillastbereiche beim Hochfahren der Turbine besonders schnell zu durchfahren und im Dauerbetrieb zu vermeiden.
Außerdem findet eine unerwünschte gegenseitige Beeinflussung wasserführender Systeme statt.
Beim optimalen Betrieb einer Francis-Turbine strömt das Wasser aus der
Einlaufspirale radial symmetrisch in das Laufrad, wird dort von den Laufschaufeln so umgelenkt, dass es nahezu axial in das Saugrohr einströmt und dort zum Unterwasser abgeleitet. Bei einem derart idealen Betrieb ist die Strömung im Saugrohr nahezu drallfrei. Bei Betriebszuständen der Turbine außerhalb des Bestpunktes ist diese Drallfreiheit der Abströmung nach dem Laufrad nicht mehr gegeben. Der ursächliche Zusammenhang zwischen der rotativen Komponente der Strömung im Saugrohr und den Maschinenschwingungen ist bekannt. Zur
Stabilisierung der Strömung im Saugrohr und zur Unterdrückung des Dralls werden nach dem heutigen Stand der Technik Leitbleche entlang des Saugrohres eingebracht. Derartige Leitbleche können als Finnen ausgebildet sein, die in axialer Richtung orientiert sind. Diese Form führt zu einer Unterdrückung des
Dralls im Saugrohr, die aber mit dem Nachteil eines verminderten Wirkungsgrades verbunden ist.
Zur Lösung dieses Problems wurden variable Leitbleche entwickelt, die
entsprechend den Betriebsbedingungen um eine zur Maschinenachse parallele Achse verschwenkt werden können. Weitere Bauformen von Leitblechen sind parallel zu den Wandflächen des Saugrohres orientiert und verhindern somit durch die Stabilisierung der Strömung zwischen Leitblech und Saugrohrwand ein Ablösen von Strömungsbereichen. Wie die zuvor genannten finnenartigen Strukturen verringert auch diese Konstruktion die Energieausbeute der Turbinen. Des weiteren erhöhen derartige statische oder variable Konstruktionen den Aufwand für die Herstellung und Wartung von Turbinen und sind daher ein kostenrelevanter Faktor.. Auch sind weitere Maßnahmen bekannt, die aber entweder aufwendig sind oder den Wirkungsgrad der Maschine verschlechtern. Siehe DE 102 13 774 AI.
Ein bisher unerkanntes Problem liegt in Folgendem: Sämtliche Traversen des Traversenringes weisen bisher dieselbe Geometrie auf. Das Spiralgehäuse ist jedoch nicht ideal rotationssymmetrisch. Gerade bei Pumpturbinen mit unterschiedlicher Durchströmöffnung wird diese Asymmetrie hierdurch noch verstärkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Maschine der eingangs genannten Art derart zu gestalten, dass die Asymmetrie der Strömung verringert und somit die Strömung im Bereich des Traversenringes gleichmäßig wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, neben dem Traversenring noch einen äußeren Leitschaufelring vorzusehen. Die Strömung tritt somit aus dem
Spiralgehäuse kommend durch den äußeren Leitschaufelring hindurch, sodann durch den Traversenring, und schließlich durch den inneren Leitschaufelring.
Ein Teil des Traversenringes mit größeren Traversen erstreckt sich über einen Teil des Umfanges des Laufrades, beginnend am Anfang der Spirale, und ein Teil des Traversenringes mit kleineren Traversen erstreckt sich über den weiteren Umfang des Laufrades bis zum Ende der Spirale. Die Größe der Traversen nimmt somit bis zum Ende der Spirale ab. Die Abnahme kann eine kontinuierliche sein.
Eine vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, die Leitschaufeln des äußeren Leitschaufelringes (somit des zuerst durchströmten) bis zum Ende der Spirale anzuordnen, nicht aber am Anfang der Spirale.
Ein weiterer Gedanke besteht darin, die Traversen des Traversenringes in
Umfangsrichtung zum Ende der Spirale generell schwächer zu gestalten, da ja die Zugbelastung zum Ende der Spirale hin abnimmt. In einem achssenkrechten Querschnitt gesehen bemisst man die Traversen in einem dem Spiralende nahen Bereich kürzer, als vor diesem Bereich. Hiermit wird Raum für die Leitschaufeln des äußeren Leitschaufelringes geschaffen.
Der Stand der Technik sowie die Erfindung sind anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
Figur 1 zeigt die wesentlichen Bauteile einer konventionellen Francis-Turbine einem Meridianschnitt. Figur 2 zeigt in einem Axialschnitt eine Francis-Turbine gemäß der Erfindung.
Figur 3 zeigt die Francis-Turbine gemäß Figur 2 in einem achssenkrechten
Schnitt. Die in Figur 1 dargestellte Francis-Turbine weist ein Laufrad 1 auf. Dieses umfasst eine Vielzahl von Schaufeln 1.1. Das Laufrad 1 läuft um eine Drehachse 2.
Das Laufrad 1 ist von einem Spiralgehäuse 3 umschlossen. Das Spiralgehäuse 3 ist zum Beispiel von kreisförmigem Querschnitt. Es hat eine umlaufende
schlitzförmige Öffnung gegen das Laufrad 1 hin. Der Öffnungsschlitz ist begrenzt durch umlaufende Kanten 3.1, 3.2.
An den umlaufenden, aus den Kanten 3.1, 3.2 gebildeten Schlitz schließt sich ein Traversenring 4 an. Dieser weist zwei Traversenringdecks 4.1 und 4.2 auf. Eine Traverse 4.3 dient als Zuganker.
Die Bereiche der umlaufenden Kanten 3.1, 3.2 des Spiralgehäuses sind mit den Traversenringdecks 4.1, 4.2 verschweißt. Zwischen Traversenring und Laufrad ist ein Leitapparat mit Leitschaufel 5 vorgesehen.
An das Laufrad 1 ist in Strömungsrichtung gesehen ein Saugrohr 6 angeschlossen, das mehrere Abschnitte aufweist.
Wie man sieht, ist das Spiralgehäuse von kreisförmigem Querschnitt. Die Bereiche der umlaufenden Kanten sind an den Anschlussstellen zu den beiden
Traversenringdecks 4.1, 4.2 gegen die Vertikale geneigt. Dies bedeutet, dass die Kantenbereiche des Spiralgehäuses nicht parallel zur Drehachse 2 des Laufrades 1 verlaufen. Siehe in Figur 1 Winkel a. Dieser liegt bei annähernd 15 bis 40 Grad.
Die in den Figuren 2 und 3 gezeigte Francis-Turbine gemäß der Erfindung weist wiederum ein Laufrad auf, das hier nicht dargestellt ist, wohl aber dessen
Drehachse 2. Das Laufrad weist ein Spiralgehäuse 3 auf. Man erkennt einen
Traversenring 4. Dieser umfasst eine Anzahl von„großen" Traversen 4.4 und von „kleinen" Traversen 4.5. Siehe Figur 3.
Wie aus beiden Figuren 2 und 2 ersichtlich, beginnt der Traversenringteil mit den großen Traversen 4.4 am Anfang der Spirale und erstreckt sich etwa bis zur Hälfte des Umfanges des Laufrades. Sodann folgt der Teil des Traversenringes mit den kleinen Spiralen 4.5. Dieser Teil des Traversen ringes erstreckt sich bis zum Ende der Spirale. Man erkennt einen konventionellen inneren Leitschaufelring mit Leitschaufeln 5.1. Dieser Leitschaufelring erstreckt sich um den gesamten Umfang des nicht gezeigten Laufrades.
Man erkennt ferner einen zweiten äußeren Leitschaufelring mit Leitschaufeln 5.2. Dieser zweite äußere Leitschaufelring erstreckt sich nur über einen Teil des Umfanges. Er beginnt dort, wo der Traversenring mit den kleinen Traversen 4.5 beginnt.
Die erfindungsgemäße Konfiguration geht von der folgenden Überlegung aus:
Die zum Zusammenspannen des Spiralgehäuses in dessen radial innerem Bereich erforderliche Zugkraft nimmt in Umfangsrichtung des Spiralgehäuses ab. Daher können die Traversen in Umfangsrichtung zwischen Beginn der Spirale bis zu deren Ende zunehmend weniger stark werden, beispielsweise durch Verringerung von deren Länge, in Figur 3 gesehen. Hierdurch wird Raum gewonnen. Der gewonnene Raum lässt sich ausnutzen zum Anordnen der radial äußeren
Leitschaufeln 5.2.
Bezugszeichenliste
1. Laufrad
1.1 Schaufeln
2. Drehachse
3. Spiralgehäuse
3.1 umlaufende Kante des Spiralgehäuses
3.2 umlaufende Kante des Spiralgehäuses
3.3 erster Kreisbogen größeren Durchmessers
3.4 zweiter Kreisbogen kleineren Durchmessers
3.5 dritter Kreisbogen kleineren Durchmessers
4. Traversenring
4.1 Traversenringdeck
4.2 Traversenringdeck
4.3 Traverse
4.4 große Traverse
4.5 kleine Traverse
5. Leitschaufel
5.1 innere Leitschaufel
5.2 äußere Leitschaufel
6 Saugrohr

Claims

Patentansprüche
1. Francis-Turbine oder eine sonstige, nach dem Francis-Prinzip aufgebaute Maschine;
1.1 mit einem Laufrad (1), das Laufschaufeln (1.1) aufweist;
1.2 mit einem Spiralgehäuse (3), das das Laufrad (1) umschließt;
1.3 mit einem Traversenring (4), umfassend eine Anzahl von Traversen (4.4,, 4.5);
1.4 mit einem inneren Leitschaufelring, der dem Traversenring nachgeschaltet ist;
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
1.5 es ist ein äußerer Leitschaufelring vorgesehen, der dem Traversenring (4) vorgeschaltet ist;
1.6 ein Teil des Traversenringes (4) mit größeren Traversen (4.4) erstreckt sich über einen Teil des Umfanges des Laufrades (1), beginnend am Anfang der Spirale, und ein Teil des Traversenringes (4) mit kleineren Traversen erstreckt sich über den weiteren Umfang des Laufrades (1) bis zum Ende der Spirale.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich - in einem Axialschnitt gesehen - Stärke und/oder Abstand und/oder Länge der Traversen über den Umfang des Laufrades (1) kontinuierlich oder abrupt verringern, beginnend am Anfang der Spirale und endend am Ende der Spirale.
3. Maschine nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einige der Leitschaufeln verstellbar sind.
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