NO320752B1

NO320752B1 - Impeller for hydraulic flow machine

Info

Publication number: NO320752B1
Application number: NO19990782A
Authority: NO
Inventors: Hermod Brekke; Jan Tore Billdal
Original assignee: Ge Energy Norway As
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-02-19
Publication date: 2006-01-23
Also published as: NO990782D0; NO990782L

Description

Denne oppfinnelse angår et løpehjul for hydraulisk strømningsmaskin, såsom en Fråncis-turbin, eventuelt pumpeturbin, av den type som omfatter et løpehjulsnav og en løpe-hjulskrans med mellomliggende skovler. This invention relates to an impeller for a hydraulic flow machine, such as a Fråncis turbine, possibly a pump turbine, of the type comprising an impeller hub and an impeller rim with intermediate vanes.

Det er et kjent problem ved slike turbiner at ved driftsforhold utenom de optimale, dvs. ved mer eller mindre avvikende redusert eller øket belastning, oppstår det uregel-messigheter i den vannstrøm som forlater løpehjulet og strøm-mer nedad gjennom et påfølgende sugerør. Slike problemer har vært søkt løst på forskjellige måter, idet flere tidligere forslag primært tar sikte på å hindre eller redusere rotasjon i vannstrømmen under løpehjulet. It is a known problem with such turbines that in operating conditions outside of the optimum, i.e. with more or less abnormally reduced or increased load, irregularities occur in the water flow that leaves the impeller and flows downwards through a subsequent suction pipe. Such problems have been sought to be solved in different ways, as several previous proposals primarily aim to prevent or reduce rotation in the water flow under the impeller.

Norsk patent 146.786 omhandler en spesiell form for navspiss festet til løpehjulsnåvet og forsynt med ledefinner som skal innvirke på den antatt skadelige rotasjonskomponent i vannstrømmen. Norwegian patent 146,786 deals with a special form of hub tip attached to the impeller hub and provided with guide fins which are supposed to affect the supposedly harmful rotational component in the water flow.

US-patent 5.261.787 er likeledes opptatt av den nevnte rotasjonskomponent og beskriver en spesiell form for navspiss som er innrettet til å kunne roteres uavhengig av løpehjulets rotasjon. US patent 5,261,787 is likewise concerned with the aforementioned rotation component and describes a special form of hub tip which is designed to be able to rotate independently of the rotation of the impeller.

Andre kjente utførelser går ut på et stasjonært anbrakt legeme i området under løpehjulet, hvilket har vist seg å være høyst problematisk med sikte på de påkjenninger som legemet utsettes for som følge av trykkpulsasjoner, rotasjon og turbulens. Ytterligere andre forslag går ut på å tilføre luft eller gass i det aktuelle området av strømningen, slik det f.eks. er omtalt i US-patent 4.142.825. Other known designs involve a body placed stationary in the area under the impeller, which has proven to be highly problematic with regard to the stresses to which the body is exposed as a result of pressure pulsations, rotation and turbulence. Further other proposals involve adding air or gas in the relevant area of the flow, as e.g. is discussed in US patent 4,142,825.

US-patent 3.874.819 beskriver et løpehjulsnav med en temmelig sterkt nedad forlenget navspiss som har en utpreget nedad avsmalnet konisk form som ved den nedre ende har en nærmere angitt, liten diameter. Dette avviker forsåvidt ganske klart fra andre kjente-og typisk koniske navforlen-gelser eller -spisser, som blant annet fremgår av de ovenfor omtalte patentskrifter. US patent 3,874,819 describes an impeller hub with a rather strongly downwardly extended hub tip which has a distinctly downwardly tapered conical shape which at the lower end has a specified, small diameter. This of course differs quite clearly from other known and typically conical hub extensions or tips, which can be seen, among other things, from the above-mentioned patent documents.

En ganske spesiell konstruksjon fremgår av US-patent 2.758.815, hvor det i en forlenget, konisk navspiss er til-dannet radielt gjennomgående strømningsåpninger for etable-ring av en vannstrømning oppad innvendig i navspissen og ut gjennom åpningene. Slik gjennomstrømning har åpenbart stor innvirkning på valget av en gunstig utformning av navspissen som helhet. A rather special construction appears in US patent 2,758,815, where in an extended, conical hub tip, radially continuous flow openings are created for establishing a flow of water upwards inside the hub tip and out through the openings. Such flow obviously has a large impact on the choice of a favorable design of the hub tip as a whole.

Ytterligere eksempler på tidligere forslag av en viss, men allikevel perifer interesse i sammenhengen, er US-patent-ene 4.754.155, 4.504.835, 3.101.926 og 1.641.363. Further examples of earlier proposals of some, but still peripheral interest in the context, are US patents 4,754,155, 4,504,835, 3,101,926 and 1,641,363.

Foreliggende oppfinnelse tar utgangspunkt i en noe annerledes betraktningsmåte enn hva de foran omtalte utfør-elser er basert på. Det er i forbindelse med denne oppfinnelse funnet at et vesentlig forhold i sammenheng med de beskrevne problemer, har å gjøre med radielt innadrettede hastighetskomponenter i vannstrømmen ned gjennom sugerøret i området fra undersiden av løpehjulet. Oppfinnelsen går følge-lig i vesentlig grad ut på å hindre eller begrense slike radielle hastighetskomponenter inn mot den vertikale akse i sugerøret. The present invention is based on a somewhat different approach to what the above-mentioned embodiments are based on. In connection with this invention, it has been found that a significant factor in the context of the described problems has to do with radially inward velocity components in the water flow down through the suction pipe in the area from the underside of the impeller. The invention is therefore essentially aimed at preventing or limiting such radial velocity components towards the vertical axis in the suction pipe.

Det nye og særegne ved løpehjulet ifølge oppfinnelsen består i første rekke i at løpehjulsnåvet går over i en tilnærmet sylindrisk del, hvis lengde er større enn dens diameter, og at sylinderdelen ved sin nedre ende har en diameter som utgjør i det minste 15-20% av løpehjulkransens utløpsdiameter. The new and distinctive feature of the impeller according to the invention consists primarily in the fact that the impeller hub transitions into an approximately cylindrical part, the length of which is greater than its diameter, and that the cylindrical part at its lower end has a diameter that is at least 15-20% of the outlet diameter of the impeller rim.

Den her angitte sylindriske del har således dimensjoner som er avpasset til løpehjulet for at den foran omtalte radielle hastighetskomponent i vannstrømmen inn mot aksen under løpehjulet, blir avbøyet slik at roterende vann i dette området ikke kommer inn til kjernepartiet langs aksen nedenfor løpehjulet. Med en slik virkning vil det området hvor det normalt forekommer skadelig ustabilitet og kavitasjon, bli trykket vekk fra løpehjulet og lenger ned i sugerøret, der hastighetsgradientene er lavere, slik at trykkpulsasjonene blir svakere. The cylindrical part specified here thus has dimensions that are adapted to the impeller so that the aforementioned radial velocity component in the water flow towards the axis below the impeller is deflected so that rotating water in this area does not enter the core part along the axis below the impeller. With such an effect, the area where harmful instability and cavitation normally occurs will be pushed away from the impeller and further down the suction tube, where the velocity gradients are lower, so that the pressure pulsations become weaker.

Når det ovenfor er angitt at oppfinnelsen omfatter en tilnærmet sylindrisk del innebærer dette en klar forskjell fra de omtalte kjente utførelser med typisk konisk navspiss. Den sylindriske del ifølge oppfinnelsen kan i praksis avvike noe fra den strengt sylindriske form, og da gjerne med en svakt økende diameter i retning nedad. Dermed blir det oppnådd en største diameter ved den nedre ende av navspissen. Dette er nettopp et poeng ifølge oppfinnelsen, nemlig at det skal foreligge en forholdsvis vid ende som utøver sin virkning i forhold til tendenser til radielt innadrettede hastighetskomponenter i strømningen, et godt stykke nedenfor selve løpehjulet, fortrinnsvis inn i den øvre del av sugerøret. Sugerøret vil normalt ha en svak konisitet utad i retning nedad fra løpehjulet, og mulige avvik fra den rent sylindriske form på navspissen, kan ifølge oppfinnelsen i hovedsak tilsvare sugerørets konisitetsvinkel, enten utad eller innad. Av dette fremgår det for fagfolk at avvik fra den rent sylindriske form på navspissen, her vil være forholdsvis ubetydelige. When it is stated above that the invention comprises an approximately cylindrical part, this implies a clear difference from the mentioned known designs with a typical conical hub tip. The cylindrical part according to the invention can in practice deviate somewhat from the strictly cylindrical shape, and then preferably with a slightly increasing diameter in the downward direction. Thus, a larger diameter is achieved at the lower end of the hub tip. This is precisely a point according to the invention, namely that there should be a relatively wide end which exerts its effect in relation to tendencies towards radially inward velocity components in the flow, a good distance below the impeller itself, preferably into the upper part of the suction pipe. The suction pipe will normally have a slight outward taper in the direction downwards from the impeller, and possible deviations from the purely cylindrical shape at the hub tip can, according to the invention, essentially correspond to the suction pipe's taper angle, either outward or inward. From this, it is clear to professionals that deviations from the purely cylindrical shape at the hub tip will be relatively insignificant here.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, hvor fig. 1 viser et aksielt vertikalsnitt gjennom vesentlige deler av en Francis-turbin, og fig. 2 viser to diagrammer til illustrasjon av forbedring-er oppnådd med løpehjul ifølge oppfinnelsen. The invention will be explained in more detail below with reference to the drawings, where fig. 1 shows an axial vertical section through essential parts of a Francis turbine, and fig. 2 shows two diagrams to illustrate improvements achieved with impellers according to the invention.

Turbinen på fig. 1 omfatter på vanlig måte et antall skovler 3 som på den ene side er festet til et løpehjulsnav 1 og på den annen side til en løpehjulskrans 2. På undersiden av dette løpehjulet er det ved 6 indikert hvordan et sugerør slutter seg til turbinen. Turbindelene forøvrig er utelatt på tegningen. The turbine in fig. 1 normally comprises a number of vanes 3 which are attached on one side to an impeller hub 1 and on the other to an impeller rim 2. On the underside of this impeller it is indicated at 6 how a suction pipe joins the turbine. The turbine parts are otherwise omitted from the drawing.

På mer eller mindre konvensjonell måte er det i tilslut-ning til løpehjulsnåvet 1 anordnet en nedadrettet navkonus 4. Denne fortsetter i form av en sylindrisk del 5 til et nivå som her tilnærmet svarer til de nederste partier av skovlene 3, men som i mange tilfeller med fordel kan ligge lengre nede. In a more or less conventional manner, a downwardly directed hub cone 4 is arranged in connection with the impeller hub 1. This continues in the form of a cylindrical part 5 to a level which here roughly corresponds to the lower parts of the vanes 3, but which in many cases can be advantageously located further down.

Den sylindriske forlengelse 5 utgjøre en integrert del sammen med navkonusen 4 og kan være festet til løpehjul snåvet 1 ved hjelp av en boltforbindelse eller ved sveising. The cylindrical extension 5 forms an integral part together with the hub cone 4 and can be attached to the impeller hub 1 by means of a bolted connection or by welding.

Visse dimensjonsangivelser i form av diametere er angitt på fig. 1 som følger: D20 er diameteren ved den nede ende av den sylindriske for-lengelsesdel 5. Certain dimensions in the form of diameters are indicated on fig. 1 as follows: D20 is the diameter at the lower end of the cylindrical extension part 5.

D21 er den minste diameter av skovlene 3, nemlig ved befest-igelses- eller overgangspunktet mellom skovlenes utløpskant og navet l. D21 is the smallest diameter of the vanes 3, namely at the attachment or transition point between the outlet edge of the vanes and the hub l.

D22 er løpehjulkransens utløpsdiameter. D22 is the outlet diameter of the impeller rim.

Når konstruksjonen, slik som her vist, omfatter en navkonus 4, er det et poeng ifølge foreliggende oppfinnelse at den sylindriske del 5 har vesentlig større lengde enn navkonusen 4, hvilket innebærer at sylinderoverflaten har en dominerende innvirkning på strømningen nedad fra løpehjul-skovlene 3 inn i sugerøret 6. Dette er et uttrykk for at sylinderdelen 5 skal utgjøre et legeme med betydelig volum i det området hvor den skal virke. En parameter som har betyd-ning i samme retning består i at sylinderdiameteren D20 skal utgjøre i det minste 15-20% av utløpsdiameteren D22. When the construction, as shown here, comprises a hub cone 4, it is a point according to the present invention that the cylindrical part 5 has a significantly greater length than the hub cone 4, which means that the cylinder surface has a dominant effect on the downward flow from the impeller vanes 3 into in the suction pipe 6. This is an expression that the cylinder part 5 should constitute a body with considerable volume in the area where it is to work. A parameter that has significance in the same direction consists in the cylinder diameter D20 being at least 15-20% of the outlet diameter D22.

På den annen side skal sylinderdiameteren D20 åpenbart ikke være større enn den nevnte indre skovlediameter D21. I tilfelle av en maksimal diameter D20 av sylinderdelen 5, nemlig nær opp mot den indre skovlediameter D21, vil navkonusen være eliminert. Dette er et grensetilfelle som kan forekomme i praksis, og som innebærer at sylinderdelen 5 festes direkte til nedre ende av selve navet, f.eks. ved sveising eller boltforbindelse. Den her nevnte maksimale diameter av sylinderdelen 5 er på fig. 1 antydet ved den strekede kontur 15. On the other hand, the cylinder diameter D20 should obviously not be greater than the mentioned inner vane diameter D21. In the case of a maximum diameter D20 of the cylinder part 5, namely close to the inner vane diameter D21, the hub cone will be eliminated. This is a borderline case that can occur in practice, and which means that the cylinder part 5 is attached directly to the lower end of the hub itself, e.g. by welding or bolting. The maximum diameter of the cylinder part 5 mentioned here is in fig. 1 indicated by the dashed outline 15.

Det er et vesentlig poeng at de overflater som dannes av sylinderdelen 5 i samvirke med navkonusen 4, utgjør sammen-hengende og ubrutte overflatepartier som avgrenser vann-strømningen radielt innad uten ellers i nevneverdig grad å bremse eller forstyrre vannstrømningen ved dennes kontakt med de nevnte overflatepartier. Dette står forsåvidt i sterk kontrast til det foran omtalte US 2.758.815, hvor tilsvarende overflatepartier er gjennombrutt av et større antall hull eller åpninger for å oppnå en markert innvirkning på strøm-ningsmønsteret . It is an important point that the surfaces formed by the cylinder part 5 in cooperation with the hub cone 4 constitute continuous and unbroken surface parts which delimit the water flow radially inwards without otherwise significantly slowing down or disturbing the water flow when it comes into contact with the mentioned surface parts . This is of course in strong contrast to the aforementioned US 2,758,815, where corresponding surface parts are pierced by a larger number of holes or openings in order to achieve a marked impact on the flow pattern.

Det kunne i denne forbindelse være hensiktsmessig med en noe avrundet eller jevn overgang mellom navkonusen 4 og sylinderdelen 5, slik som antydet stiplet ved 14 på fig. 1. En slik utformning vil imidlertid normalt innebære vesentlig høyere produksjonsomkostninger. In this connection, it could be appropriate to have a somewhat rounded or even transition between the hub cone 4 and the cylinder part 5, as indicated by the dotted line at 14 in fig. 1. However, such a design will normally entail significantly higher production costs.

En mer aktuell modifikasjon er vist ved 16, nemlig en svak konisitet nedad/utad for sylinderdelen 5. Fortsatt kan denne ansees å være tilnærmet sylindrisk, og slik avvikende konisitet kan som nevnt ovenfor i praksis ansees å være begrenset til en lignende konisitetsvinkel som tradisjonelle sugerør 6 har. A more relevant modification is shown at 16, namely a slight taper downwards/outwards for the cylinder part 5. This can still be considered to be approximately cylindrical, and such deviating taper can, as mentioned above, in practice be considered to be limited to a similar taper angle as traditional straws 6 have.

Ytterligere en variant som har betydelig interesse, er illustrert på fig. 1 i form av en mer forlenget sylinderdel, hvis nedre endeflate ligger på et nivå 25 nede i sugerøret 6. Lengden av sylinderdelen er her betydelig større enn dens diameter D20. A further variant of considerable interest is illustrated in fig. 1 in the form of a more extended cylinder part, the lower end surface of which lies at a level 25 down in the suction tube 6. The length of the cylinder part is here considerably greater than its diameter D20.

De to diagrammene (A og B) på fig. 2 tjener til å illu-strere forbedringen med hensyn til uønskede trykkpulsasjoner oppnådd ved hjelp av oppfinnelsen i et typisk tilfelle, ved henholdsvis 105% og 85% av nominell fallhøyde. Kurvene 21A og 21B gjelder for et løpehjul med konvensjonell, konisk navspiss, mens kurvene 22A og 22B er oppnådd ved hjelp av et løpehjul forsynt med en forlenget sylinderdel slik som be-skrevet ovenfor. Det fremgår av kurvene at i de mer ugunstige lastområder er forbedringen med hensyn til trykkpulsasjoner meget god. The two diagrams (A and B) in fig. 2 serves to illustrate the improvement with respect to unwanted pressure pulsations achieved by means of the invention in a typical case, at 105% and 85% of nominal head respectively. The curves 21A and 21B apply to an impeller with a conventional, conical hub tip, while the curves 22A and 22B are obtained by means of an impeller provided with an extended cylinder part as described above. It appears from the curves that in the more unfavorable load areas the improvement with regard to pressure pulsations is very good.

Claims

1. Impeller for a hydraulic flow machine, such as a Francis turbine, possibly a pump turbine, and comprising an impeller hub (1) and an impeller rim (2) with intermediate vanes (3), characterized in that the hub (1) merges into an approximately cylindrical part (5), the length of which is greater than its diameter (D20), and that the cylinder part (5) at its lower end has a diameter (D20) that amounts to at least 15-20% of the impeller rim (2) outlet diameter (D22).

2. Scooter according to claim 1, characterized in that a hub cone (4) is arranged between the hub (1) and the cylinder part (5) and that the cylinder part has a significantly greater length than the hub cone (4).

3. Impeller according to claim 1 or 2, characterized in that the outer surface of the cylinder part (5) and preferably of the hub cone (4) is smooth and unbroken.

4. Impeller according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the cylinder part (5) has a slight taper (16) downwards/outwards.

5. Impeller according to one of claims 2-4, characterized in that there is a smooth transition (14) between the hub cone (4) and the cylinder part (5).

6. Impeller according to claim 1 or 4, characterized in that the diameter (D20) of the cylinder part is approximately equal to the smallest diameter (D21) of the vanes (3).