NO319000B1 - Radialvannturbin - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse angår en radial-vannturbin omfattende et turbinhus med et løpehjul og med et vanninnløp til en vannpassasje med avtagende strømningstverrsnitt rundt omkretsen for vanntilførsel til løpehjulet, samt et aksielt vannutløp fra turbinhuset.

Den her beskrevne nye turbinkonstruksjon har særlig interesse for småkraftverk, hvor det kan være viktig å unngå for store investeringer i kompliserte konstruksjoner. Når det her er tale om radial-vannturbiner kan dette i visse til-feller omfatte turbiner av radial/aksial-typen, såsom mer eller mindre typiske Francis-turbiner.

Kjente turbinkonstruksjoner fra lang tid tilbake har tradisjonelt vært utført med mange kompliserte former, idet dobbeltkrumme flater har vært benyttet i stor utstrekning. De tradisjonelle spiraltrommer er typiske eksempler i så måte. Som et konkret eksempel på en kjent utførelse vises det her til tegningenes fig. 4.

Tysk patentskrift DE 2007, som er meget gammelt (fra år 1878), viser for eksempel en konstruksjon som tildels er basert på plane platedeler. Denne kjente utførelsen er imidlertid strømnings- og ytelsesmessig ugunstig, særlig p.g.a. vannstrømmens form og forløp inn mot løpehjulet. Svensk patentskrift SE 3469 beskriver en partialturbin og ikke en fullturbin (eller reaksjonsturbin) og representerer således en meget rudimentær form for turbin som er uten interesse i denne sammenheng.

I og med■foreliggende oppfinnelse er det funnet at særlig for småkraftverk med forholdsvis lav ytelse er det mulig å forenkle turbinkonstruksjonene vesentlig uten at det går for meget på bekostning av virkningsgraden.

Turbinkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen sørger også for en gunstig vannstrømning inn mot løpehjulet.

Dette er ifølge oppfinnelsen i første rekke oppnådd ved at turbinhuset omfatter to i det vesentlige plane, parallelle platedeler som avgrensning i aksiell retning, idet platedelene er orientert normalt på turbinaksen. Videre er oppfinnelsen kjennetegnet ved en åpning for vannstrømning fra vannpassasjen til løpehjulet, som har mindre aksiell dimensjon enn avstanden mellom platedelene, og at det mellom platedelene er anordnet en ytre platevegg som radiell begrensning av vannpassasjen utad og med en i det minste tilnærmet spiralform sett i platedelenes plan. Plateveggen er tildannet ved bøying av et langstrakt, rektangulært stykke platemateriale,

Videre er det anordnet festemidler for sammenføyning av platedelene og plateveggen.

Ved på denne måten i det vesentlige å basere konstruk-sjonen på platedeler som kan tilformes og sammenføyes på enkel måte, blir det oppnådd en meget enkel og produksjons-messig svært gunstig løsning. Kostnadene blir dermed tilsvarende redusert. Dette kan ha vesentlig betydning for spørs-målet om overhodet å utnytte en gitt, forholdsvis liten vann-kraftressurs .

Basert på hovedprinsippene for en turbinkonstruksjon ifølge oppfinnelsen, slik som angitt ovenfor, foreligger det mange muligheter for ytterligere forenklinger eller eventuelt modifikasjoner som kan bidra til at radial-vannturbiner ifølge oppfinnelsen blir enda mer fordelaktige.

Faste eventuelt bevegelige ledeskovler av mer eller mindre konvensjonell art eller eventuelt en turbinkonstruksjon uten ledeskovler kan omfattes av oppfinnelsen. Videre kan ikke bare selve turbinhuset men også løpehjulet være basert på prinsippet om platekonstruksjoner. Turbinhuset ansees imidlertid for å være det viktigste i sammenhengen, idet løpehjulet kan være av mer eller mindre konvensjonell utførelse, såsom støpt i metall eller plast og omfattende dobbeltkrumme skovler og aksielt utløp utformet mer eller mindre som et løpehjul for Francis-turbiner.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor: Fig. 1 viser et aksielt snitt gjennom en radial-turbin

utført i henhold til oppfinnelsen,

Fig. 2 viser i perspektiv og noe oppskåret, en tilsvarende

utførelse som på fig. 1,

Fig. 3 viser et tverrsnitt etter linjen III-III på fig. 1,

og

Fig.4 viser til sammenligning et typisk eksempel på en tradisjonell turbin-utformning.

Det vil innsees at tegningene ikke viser alle praktiske detaljer, men er forenklet for å vise det som er vesentlig for oppfinnelsen. Turbinhuset på tegningene, slik det særlig fremgår av figurene 1 og 2, er oppbygget med to plane og parallelle platedeler 2 og 4, for avgrensning av turbinhuset i aksiell retning. Turbinaksen er indikert ved 10A, sammen-fallende med en oppadgående utgangsaksel som kan drive en tilhørende elektrisk generator. Som ytre begrensning av turbinhuset er det mellom platedelene 2 og 4 montert en ytre platevegg 3 som f.eks. kan festes eller klemmes mellom platene 2 og 4 ved hjelp av en rekke bolter 5. Boltene 5 er vist plassert rundt den ytre omkrets av turbinhuset 1, og i tillegg kan det være anordnet ytterligere festebolter, som vist ved 8A på fig. 1. Festeboltene 8A tjener her også til å klemme platedelene 2 og 4 mot kanten av faste ledeskovler 8 (se nedenfor). Det er klart at også andre festemidler kan komme på tale for sammenføyning av de nevnte hovedkomponenter i turbinhuset 1, f.eks. sveising.

Som det fremgår av fig. 2 og særlig fig. 3 har den ytre platevegg 3 en tilnærmet spiralform, dvs. med avtagende strømningstverrsnitt innover fra åpningen i huset for vann-tilførsel til dette. Fig. 1 viser et aksielt vannutløp 22 fra turbinhuset 1.

Med den så langt beskrevne konstruksjon fremgår det at strømningstverrsnittet i vannpassasjen 6 vil være i det vesentlige rektangulært og med en mindre aksiell høyde enn radiell bredde ved vanninnløpet. Ved den innerste enden av vannpassasjen 6, der hvor plateveggen 3 ender i en veggdel 7, er derimot fortrinnsvis den radielle bredde av vannpassasjen 6 mindre enn dennes aksielle høyde mellom platene 2 og 4. Det er klart at plateveggen 3 i praksis på hensiktsmessig måte kan være tildannet ved bøying av et langstrakt, rektangulært stykke platemateriale. Dette innebærer en arbeidsoperasjon som er forholdsvis enkel og billig sammenlignet med de ovenfor omtalte tradisjonelle og kompliserte spiralhusformer.

En praktisk forholdsvis viktig utførelse av turbinhuset 1 består i en øvre og nedre kaskadering 8B/8B festet ved hjelp av pinner eller spor i platene 2 og 4, med den virkning at åpningen for vannstrømning fra vannpassasjen 6 til et innenforliggende løpehjul 10 har mindre aksiell dimensjon enn avstanden mellom platedelene 2 og 4. Dette har betydning for en gunstig vannstrømning inn mot løpehjulet 10. Kaskade-ringene 8B (og festeboltene 8A) tjener videre til feste av ledeskovlene 8, som kan være faste eller innstillbare. Som nevnt ovenfor ligger det imidlertid innenfor oppfinnelsens ramme også å utelate ledeskovler, og i så fall er det en vesentlig fordel at plateveggen 3 i det vesentlige følger en logaritmisk spiralform, sett i snitt som på fig. 3. Genera-torakselen som bare er vist delvis ved 10A, går gjennom en tetningsring 15 som er festet til den øvre platedelen 2, hvor det også er anordnet festebraketter 25 for den elektriske generatoren (ikke vist).

I tråd med prinsippet om oppbygning av turbinkonstruksjonen av platedeler, er det ifølge oppfinnelsen en fordel at eventuelle ledeskovler 8 er laget av platemateriale og fortrinnsvis er enkeltkrumme eller hovedsakelig plane. En slik enkel form er illustrert på fig. 3, hvor ledeskovlenes innløpsende er noe avrundet og avløpsenden er spisset til en hensiktsmessig strømlinjeform av ledeskovlenes tverrsnitt.

Løpehjulet 10, slik det særlig fremgår av fig. 1, har to mekanisk bærende plane skiver 12 og 14 som hovedelementer, idet løpehjulskovlene 13 er festet til de to skivene. I en forenklet utførelse kan det være tilstrekkelig med skiven 12 som bærende element, idet løpehjulet 10 i så fall får en nedad åpen utførelse ut fra de aksielt-rettede endekanter på løpehjulskovlene 13. Også løpehjulskovlene kan med fordel tildannes av platemateriale og kan være plane eller enkeltkrumme. Dermed vil også løpehjulet i vesentlig grad ha fordelen av enkel og billig platekonstruksjon på samme måte som omtalt ovenfor vedrørende turbinhuset 1.

Skiven 14 på løpehjulets avløpsside har en avløpsåpning med en kantprofil 14A som er noe avrundet i strømlinjeform, hvilket er gunstig strømningsmessig sett og kan utføres enkelt og billig ved hensiktsmessig maskinering. Tilsvarende gjelder for et tilstøtende kantprofil 4A rundt avløpsåpningen i turbinhusets platedel 4.

For å avlaste trykket mellom platedelen 2 og løpehjul-skiven 12 er det vist en rekke hull 12A gjennom løpehjul-skiven 12 for vannlekkasje forbi løpehjulet 10. Disse sammen med en smal spalte 20 mot kaskaderingen 8B på begge sider av hjulet 10, vil minimalisere vannlekkasjene på i og for seg kjent måte, og sørge for en gunstig total vannstrømning gjennom løpehjulet 10. I samme hensikt kan skiven 12 være forsynt med en avløpskonus 16 som har strømlinjeform slik at den på kjent måte har en gunstig innvirkning på vann-strømningen.

Foruten de forannevnte modifikasjoner av såvel turbinhuset 1 som løpehjul 10, bør det nevnes at selv om utførelsen på tegningene, og særlig fig. 1 og 2, kan tyde på at en vertikal turbinakse er forutsatt, vil en tilsvarende turbinkonstruksjon også kunne benyttes i tilfelle horisontal akse.

Til slutt er fig. 4 tatt med som illustrasjon av en konvensjonell konstruksjon av en radial aksial-turbin av Francis-typen. Denne har til sammenligning med det som er omtalt ovenfor, svært kompliserte geometriske former som innebærer kostbar og tidkrevende fremstilling.

Claims (10)

1. Radial-vannturbin omfattende et turbinhus (1) med et løpehjul (10) og med et vanninnløp til en vannpassasje (6) med avtagende strømningstverrsnitt rundt omkretsen for vann-tilførsel til løpehjulet (10), samt et aksielt vannutløp (22) fra turbinhuset (1), hvor turbinhuset (1) omfatter to i det vesentlige plane, parallelle platedeler (2,4) som avgrensning i aksiell retning, idet platedelene (2,4) er orientert normalt på turbinaksen (10A), karakterisert ved at en åpning (18) for vannstrømning fra vannpassasjen (6) til løpehjulet (10) har mindre aksiell dimensjon enn avstanden mellom platedelene (2,4), og at det mellom platedelene (2,4) er anordnet en ytre platevegg (3) tildannet ved bøying av et langstrakt, rektangulært stykke platemateriale, som radiell begrensning av vannpassasjen (6) utad og med en i det minste tilnærmet spiralform sett i platedelenes plan.

2. Radial-vannturbin ifølge krav 1, karakterisert ved at strømningstverrsnittet i vannpassasjen (6) er rektangulært, og at strømningstverrsnittet har mindre aksiell høyde enn radiell bredde ved vanninnløpet, men mindre radiell bredde enn aksiell høyde ved den motsatte, indre ende av vannpassasjen (6) .

3. Radial-vannturbin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er anordnet faste ledeskovler (8).

4. Radial-vannturbin ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det er anordnet ledeskovler (8) som er innstillbare i minst to stillinger.

5. Radial-turbin ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at ledeskovlene (8) er tildannet av platemateriale og fortrinnsvis er enkeltkrumme eller hovedsakelig plane.

6. Radial-vannturbin ifølge et av kravene 1-5, karakterisert ved at spiralformen av plateveggen (3) tilsvarer en logaritmisk spiral.

7. Radial-turbin ifølge et av kravene 1-6, karakterisert ved at løpehjulet (10) omfatter i det minste en bærende, fortrinnsvis plan skive (12,14) som løpehjulets skovler (13) er festet til.

8. Radial-turbin ifølge krav 7, karakterisert ved at løpehjulets skovler (13) er tildannet av platemateriale.

9. Radial-turbin ifølge krav 8, karakterisert ved at løpehjulets skovler (13) er plane eller enkeltkrumme.

10. Radial-turbin ifølge et av kravene 7-9, karakterisert ved at en bærende, hovedsakelig plan løpehjulskive (14) på løpehjulets avløpsside har en avløpsåpning med strømlinjet avrundet kantprofil (14A).