NO163378B - Skovlforsynt rotor for francis-turbin. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår hydrauliske

maskiner og særlig skovlutformingen i rotorer for Francis-turbiner.

Konvensjonelle rotorer for Francis-turbiner er sammensatt av en krone med en konsentrisk bånd- eller ring-seksjon og en rekke skovler som strekker seg mellom og inn-byrdes forbinder kronen og rotorens nav med ringseksjonen. Rotoren dreies om kronens og rotorens dreieakse ved virkningen av vann som går gjennom et antall strømningsbaner dannet én mellom hvert par tilstøtende skovler i rekken av skovler. Hver av skovlene har en strømdelende kant som definerer grense-

linjen mellom skovlens sugeside som ligger forrest i forhold til dreieretningen og dens bakovervendende trykkside. Skovlene er normalt slik orientert at de heller fremover fra rotorens utløpsende mot kronen, sett i forhold til rotorens dreieretning.

Et av de problemer som er knyttet til konvensjonelle rotorkonstruksjoner er risikoen for skadelige kavitasjons-fenomener, særlig ved eller nær den ansats som danner skjøten mellom båndet og sugesiden av skovlene like nedenfor den strøm-delende kant, sett i vannstrømmens retning. Det er kjent at slik kavitasjon har forårsaket alvorlige skader på skovlene, noe som krever reparasjon på stedet og i noen tilfeller modifisering av skovlene, hvilket i begge tilfeller er meget kostbart og vanskelig å utføre.

Slik kavitasjon er også et tegn på dårlig hastig-hetsfordeling i den strømmende væske, hvilket naturlig nok fører til reduksjon av turbinens hydrauliske virkningsgrad.

Det er selvsagt fordelaktig å redusere til et minimum slike hydrauliske tap der hvor det er mulig (se f.eks. kanadisk patent 748 229 av 1966).

Generelt konstrueres turbinskovlen slik eller gis

en slik kontur at den reduserer kavitasjonen til et minimum og bringer virkningsgraden til et maksimum. I noen tilfeller har det vist seg nødvendig å overflatebehandle rotoren på bestemte steder, særlig i kantområdet som danner skjøten mellom skovlen og båndet, f.eks. med et belegg av rustfritt stål. Denne praksis er også kostbar og dens anvendelse søkes vanligvis holdt på et minimum.

Det er derfor et formål med den foreliggende opp-

finnelse å skaffe tilveie en forbedret turbinrotor for hydrau-

liske turbiner av Francis-typen og hvor kavitasjonstendenser særlig ved eller nær kanten som danner skjøten mellom skovlens sugeside og rotoren reduseres i betydelig grad.

Dette er oppnådd ved at det er skaffet tilveie en

rotor av den type som fremgår av den innledende del av det etterfølgende krav 1, og denne rotor er kjennetegnet ved at hver av de strømningsdelende kanter møtes med og avsluttes på

båndet i en skjøt ved den øvre kant av båndet, idet et første område av sugesiden på hver skovl ligger like inntil skjøten og den strømningsdelende kant og er synlig ved betraktning i aksial retning mot utløpsenden slik at det første område av sugesiden får en utstrekning fra båndet mot kronen og bakover heller i rotorens dreieretning, og at det finnes et andre om-

råde på hver av sugesidene hvilket område befinner seg i en avstand fra det første område og er synlig når betraktet i en aksial retning fra utløpsenden idet det andre område befinner seg under skjøten.

I beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse er

uttrykket "strømlinjeformet" benyttet i forbindelse med skovlenes utforming, og med dette menes at det ikke finnes flater eller overganger med skarpe knekk eller retningsfor-andringer, slik at det i praksis ikke forekommer brå vinkel-forandringer i den strømningsbane som avgrenses mellom over-

flatene på tilstøtende skovler, dvs. at det ikke forekommer slike brå forandringer som ved skjøten mellom de to skovler som er festet sammen for å danne en sammensatt rotorskovl i kanadisk patent 31013 av 1889. Slike vinkeloverganger ville nemlig nødvendigvis ha medført turbulens eller sekundære strømninger og derved i høy grad opphevet fordelene ved den foreliggende oppfinnelse. Uttrykket "strømlinjeformet" er imidlertid ikke ment å antyde at skovlens bueform nødvendigvis er konstant, men det har en spesiell betydning for. en fagmann på området strømningsdynamikk og særlig innenfor konstruksjon av kontinuerlig buede strømningsbaner såsom for hydrauliske turbiner.

Uttrykket "turbin eller maksin av Francis-typen" er ment å inkludere både konvensjonelle turbiner av Francis-typen såvel som pumpeturbiner av Francis-typen. Turbinen eller maskinen som beskrevet og definert i.dette dokument arbeider som turbin til forskjell fra pumpeutførelsen av en slik maskin, gjerne kalt Francis-pumpeturbin.

Ytterligere karakteristiske trekk, formål og for-deler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den etter-følgende detaljerte beskrivelse av foretrukne utførelser av oppfinnelsen i forbindelse med tegningene, hvor fig. 1 viser en konvensjonell Francis-Turbin med typisk form og orientering av skovlene, fig. 2 viser en Francis-turbin konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse og med en annen orientering og bueform av skovlene, fig. 3 viser et aksialt riss av en enkelt skovl i denne turbin, sett fra kronen mot utløpsenden, idet skovlen ifølge foreliggende oppfinnelse er vist i heltrukne linjer, mens deler av en typisk skovl konstruert i samsvar med teknikkens stand er vist stiplet,og fig. 4 er et snitt etter linjen 4-4 på fig. 3 og viser en typisk bueform av en skovl konstruert i samsvar med foreliggende oppfinnelse.

Fig. 1 viser således en konvensjonell Francis-turbinrotor 10 av kjent type, med en krone 12 med et konven-sjonelt utformet, hovedsakelig konisk nav (ikke vist) og som danner en aksial ende 15 av rotoren, et bånd eller en ring 14 konsentrisk med kronen på rotorens dreieakse og et antall skovler 16 innskutt mellom kronen 12 og båndet eller ringen 14. Strømningsbaner generelt antydet ved 18 tillater vannet "å strømme inn i rotoren i en hovedsakelig radial retning og gå jevnt gjennom rotoren til utløpsenden generelt antydet ved 40 ved enden av rotoren 10 på fig. 1, aksialt lengst borte fra kronen 12. Disse strømningsbaner 18 er dannet mellom parvis tilstøtende skovler 16. Skovlene har ytre perifere strømdelende kanter 20 som strekker seg mellom båndet 14 og kronen 12, en forovervendt sugeside 22, sett i forhold til rotorens dreieretning, og en bakovervendt trykkside 24 (som altså befinner seg bakerst, sett i dreieretningen når maskinen drives som turbin). Strømningsbanene for vannet(beskrives mer detaljert i det følgende) avgrenses følgelig av kantene 20 som retter vannet inn i tilstøtende rom på motsatte sider av hver skovl. Disse strømdelende kanter 20 har ikke skarpe kanter, men er jevnt avrundet for å hindre turbulens og lette ledningen av vannstrømmen langs skovlenes motsatte sideflater.

Det vil bemerkes at kantene 20 og således skovlene 16 som strekker seg opp fra utløpsenden 40 mot kronen 12, i den kjente konstruksjon heller fremover i den retning rotoren 10 dreies av vannstrømmen gjennom kanalene 18. Denne retning er antydet med pilen 26.

I foreliggende oppfinnelse fig. 2 er rotoren 100 for Francis-turbinen også utformet med den konvensjonelle krone 120 som danner den ene 125 av rotorens aksiale ender,

en ring eller et bånd 140 konsentrisk med denne og symmetrisk om rotorens dreieakse, og et antall skovler 160. I dette til-felle er imidlertid skovlene 160 betydelig modifisert og for-andrer derved ganske betydelig de strømningsbaner 180 som dannes mellom skovlene 160 og fører fra det hovedsakelig radiale innløp nær den ytre omkrets av skovlene og rotorens utløpsende 190, og gjennom hvilke baner vannet strømmer når rotoren 100 dreier seg om dréieaksen i den retning som er be-tegnet med pilen 200.

Skovlene har strømdelende kanter 220 ved omkretsen mellom båndet 140 og kronen 120 som beskrevet ovenfor, og disse kanter danner som tidligere et skille mellom skovlenes suge- og trykkside 222 hhv. 224. I utførelsen på fig. 2 er et parti av hver strømdelende kant 2 20 og en del av hoveddelen av hver skovl som strekker seg mot kronen 120, skrådd bakover i forhold til dreieretningen.

Skovlens helning skal nå beskrives mer detajert med henvisning til fig. 3 og 4. En enkelt skovl 160 er vist på fig. 3, betraktet prallelt med dreieaksen fra kronen mot ut-løpsenden 190. Den strømdelende kant 220 som definerer grense-linjen mellom sugesiden 222 som ligger foran, sett i dreieretningen, og trykksiden 224 som ved rotorens dreining løper etter sugesiden (med å løpe etter sugesiden er ment at et punkt på trykksiden og som befinner seg i en bestemt avstand fra dreieaksen i et plan vinkelrett på denne, vil passere et bestemt fast punkt etter at dette første punkt passeres av et tilsvarende punkt på sugesiden og som befinner seg i samme avstand fra dreieaksen og i samme plan), og den ende 226 av skovlen som forbindes med kronen, er tydelig vist, og på figuren er også den flate 228 som forbindes med båndet 140 antydet.

Det vil bemerkes at skovlen har et område A som befinner seg på sugesiden 222 umiddelbart inntil kanten 220, og skjøten 230 for kanten 220 med båndet 140 (ikke vist), er svinget bakover eller heller bakover, sett i dreieretningen og danner et åpent område som er synlig når det betraktes i aksial retning fra kronen mot utløpsenden 190 (enden 190 er aksialt lengst bort fra kronen). I den viste anordning ligger området A på oversiden av en resterende del av området av sugesiden 222, hvilken del er aksialt adskilt fra området A. Dette overliggende forhold er vist ved punktene B og C på fig. 4 på den aksiale linje 231, hvor punktet B ligger innenfor området A,og punktet C ligger på den resterende del av området av sugesiden 222, synlig når betraktet aksialt fra utløpsenden (antydet ved 190). Skovlen har således hovedsakelig en C-formet ytre kontur når den betraktes i snitt, i det minste nærmest båndet 140, og med sugesiden 222 i umiddelbar nærhet av skjøten 230 som den forreste del av resten av skovlen, i forhold til dreieretningen.

Området A ligger mellom båndet 140 og kronen 120 nær kanten 220 og skjøten 230 (dvs. i det minste i den del av sugesiden 22 som avgrenses av skjøten 230 og et plan vinkelrett på rotorens dreieakse og som går gjennom det midtre punkt av kanten 2 20 på hver skovl 160.

Med betraktning aksialt eller i den aksiale retning er ment parallelt med rotorens 100 dreieakse (se fig. 3), og dette er selvsagt også dreieaksen for kronen 120 og båndet 140.

For tydeligere å antyde konstruksjonsulikhetene mellom den foreliggende oppfinnelse og den viste kjente rotor er på fig. 3 vist stiplet en skovl av kjent type når betraktet i samme aksiale retning. Det fremgår av figuren at ikke noe av skovlens sugeside blir synlig når den betraktes i aksial retning fra kronen, eller alternativt er hovedsakelig hele sugesiden synlig når den betraktes aksialt fra utløpsenden. Som vist stiplet strekker den strømdelende kant 20 seg fremover i vann-strømmens retning fra skjøten 230 til monteringsenden 226' som forbinder skovlen med kronen slik at skovlens radiale ende nærmest nær kronen trekker resten av skovlen med seg i rotorens dreieretning.

Som antydet ovenfor er det normalt anordnet en ansats som forbinder skovlen -med båndet og kronen, men selve ansatsen behøver ikke betraktes som en del av skovlen, og inngår da egentlig ikke i oppfinnelsen.

Eksempel

Forsøk med en turbinmodell relativt modereat modifisert ifølge oppfinnelsen, tillot en reduksjon av turtallet med 3% før det oppsto kavitasjon ved den forreste skovlkant, sammenlignet med en turbinmodell av konvensjonell konstruksjon som var betydelig modifisert i samsvar med den kjente teknikk for å redusere risikoen for kavitasjon. Kavitasjon ved den forreste skovlkant øker typisk i samme forhold som turtallet senkes, ved øvrige driftsforhold konstante. Det nominelle synkronturtall, dvs. det turtall hvor generatoren leverer effekt ved nettfrekvensen sammenfaller vanligvis tilnærmet med turbinens arbeidspunkt hvor det også oppnås best virkningsgrad, og det er derfor ønskelig, men ikke alltid mulig, at kavitasjon ved den forreste kant først inntrer ved et turtall som er endel lavere enn synkronturtallet. Således vil en 3% turtalls-margin før risiko for kavitasjon forventes innebære en betydelig fordel sammenlignet med tidligere kjente utførelser.

Claims (3)

1. Rotor (100) for en hydraulisk turbin av Francis-typen, dreibar om en rotasjonsakse og med en krone (120) som danner den øvre aksiale ende når rotasjonsaksen står tilnærmet vertikalt, et bånd (140) som ligger konsentrisk med kronen (120) på rotasjonsaksen, og en rekke skovler (160) mellom båndet (140) og kronen (120), hvor rotoren (100) ved sin nedre ende er avsluttet med en utløpsende (190), hvor hver skovl (160) har en sugeside (222) og en trykkside

(224) som i rotorens dreieretning løper etter sugesiden (222), idet suge- og trykksiden (222, 224) møtes mellom båndet (140) og kronen (120) ved den ytre periferi av hver av skovlene (160) langs en strømningsdelende kant (220) og danner hovedsakelig jevne strømlinjeformede overflater som fastlegger strømningsbaner mellom tilstøtende skovler (160) i rekken, karakterisert ved at hver av de strømnings-delende kanter (220) møtes med og avsluttes på båndet (140) i en skjøt (230) ved den øvre kant av båndet (140), idet et første område (A) av sugesiden (222) på hver skovl (160) ligger like inntil skjøten (230) og den strømningsdelende kant (220) og er synlig ved betraktning i aksial retning mot utløpsenden (190) slik at det første område (A) av sugesiden (222) får en utstrekning fra båndet (140) mot kronen (120) og heller bakover i rotorens (100) dreieretning, og at det finnes et andre område (C) på hver av sugesidene (222), hvilket område (C) befinner seg i en avstand fra det første område (A) og er synlig når betraktet i en aksial retning fra utløpsenden (190), idet det andre område (C) befinner seg under skjøten (230).

2. Rotor ifølge krav 1, karakterisert ved at i det minste en del av det første område (A) på hver av skovlene (160) befinner seg en avstand fra, men i aksial retning på linje med en del av det andre område (C) på dettes respektive skovl (160).

3. Rotor ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at den strømningsdelende kant (220) strekker seg fra skjøten (230) og i det minste et stykke bort fra kronen (120) og heller bakover i samme retning som rotorens omdreiningsretning.