NO325509B1

NO325509B1 - Hydraulic reaction turbine and process for reducing pressure fluctuations

Info

Publication number: NO325509B1
Application number: NO20065276A
Authority: NO
Inventors: Anders Wedmark
Original assignee: Ge Energy Norway As
Priority date: 2006-11-16
Filing date: 2006-11-16
Publication date: 2008-05-26
Also published as: NO20065276L; WO2008060158A2; CA2669946C; WO2008060158A3; CA2669946A1

Abstract

Vannturbin av reaksjonstypen omfattende: - et løpehjul, - et sugerør (1) nedstrøms for løpehjulet, og - en injeksjonsanordning (4,10) for innføring av vann i sugerøret med sikte på å redusere trykkfluktuasjoner i dette, med en eller flere åpninger (10) i sugerørveggen (1a) innrettet til i det vesentlige jevn fordeling av injisert vann i aksiell retning og/eller omkretsretningen av sugerøret (1).Water turbine of the reaction type comprising: - an impeller, - a suction pipe (1) downstream of the impeller, and - an injection device (4,10) for introducing water into the suction pipe with a view to reducing pressure fluctuations therein, with one or more openings (10 ) in the suction pipe wall (1a) arranged for a substantially even distribution of injected water in the axial direction and / or the circumferential direction of the suction pipe (1).

Description

I sugerøret nedstrøms for løpehjulet i Francis-turbiner og andre vannturbiner av reaksjonstypen med faste løpehjulsskovler har det vært problemer i forbindelse med vibrasjoner og pulsasjoner under drift med høyere og/eller lavere belastninger enn den belastning som gir høyest virkningsgrad. Det er kjent forskjellige metoder som tar sikte på å redusere disse trykkfluktuasjonene, som har sammenheng med en uønsket rotasjonskomponent av vannet i sugerøret når de ugunstige belastningsforholdene opptrer. In the suction pipe downstream of the impeller in Francis turbines and other reaction-type water turbines with fixed impeller blades, there have been problems in connection with vibrations and pulsations during operation with higher and/or lower loads than the load that gives the highest efficiency. Different methods are known which aim to reduce these pressure fluctuations, which are related to an undesirable rotational component of the water in the suction pipe when the unfavorable load conditions occur.

Det er kjent mekaniske midler til å redusere eller eliminere forannevnte problemer. Et eksempel på en mekanisk løsning er å finne i US-patentpublikasjon 2004/0037698, som beskriver faste stagskovler etter løpehjulet. Mechanical means are known to reduce or eliminate the aforementioned problems. An example of a mechanical solution can be found in US patent publication 2004/0037698, which describes fixed strut vanes after the impeller.

Andre tidligere kjente løsninger baserer seg på luft-eller gassinjeksjon for samme formål, som for eksempel beskrevet i JP 02238177 og US 2004/0265117. Other previously known solutions are based on air or gas injection for the same purpose, as for example described in JP 02238177 and US 2004/0265117.

Videre er injeksjon av vann i sugerøret for å redusere trykkfluktuasjoner i dette, beskrevet i WO 2006/043824. Furthermore, injection of water into the suction pipe to reduce pressure fluctuations therein is described in WO 2006/043824.

Videre kan nevnes JP 61178563, der også innføring av vann gjennom sugerørveggen er vist. Dette tjener imidlertid til å undertrykke avflaking eller strømningsavløsning i en turbin med lav trykkhøyde (typisk en turbin av Kaplan-typen) der det ikke er noe problem med trykkpulsasjoner av den art som her er av interesse. Slike problemer opptrer jevnlig ved visse belastningsforhold i reaksjonsturbiner som har et løpehjul med faste skovler, mens turbiner av Kaplan-typen har skovler med innstillbar stigning. JP 61178563 can also be mentioned, where the introduction of water through the suction pipe wall is also shown. However, this serves to suppress flaking or flow separation in a low head turbine (typically a Kaplan type turbine) where there is no problem with pressure pulsations of the kind of interest here. Such problems regularly occur at certain load conditions in reaction turbines that have an impeller with fixed blades, while Kaplan-type turbines have blades with adjustable pitch.

Ved å injisere vann vil man hindre eller ødelegge den ugunstige dannelsen av strømningsvirvler som kan forekomme, hvilket gjør det mulig å kjøre turbinene over et større lastområde. By injecting water, one will prevent or destroy the unfavorable formation of flow vortices that may occur, which makes it possible to run the turbines over a larger load area.

Mer spesielt vil injiseringen av vann (under høyt trykk) tjene til å eliminere den forannevnte rotasjons- eller virvelkomponent som opptrer i vannet som forlater turbinens løpehjul. Følgelig vil strømningen nedstrøms bli nærmere aksiell og de uønskede trykkfluktuasjonene vil ikke lenger representere et alvorlig problem. Det kan imidlertid anses å være en viss ulempe at injisering av vann under trykk vil kreve noe energi, hvilket kan redusere den totale virkningsgraden av slike turbiner. More particularly, the injection of water (under high pressure) will serve to eliminate the aforementioned rotational or vortex component that appears in the water leaving the turbine impeller. Consequently, the downstream flow will become closer to axial and the unwanted pressure fluctuations will no longer represent a serious problem. However, it can be considered a certain disadvantage that injecting water under pressure will require some energy, which can reduce the overall efficiency of such turbines.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å forbedre vann-injeksjons anordningen og -metoden i reaksjonsturbiner som angitt ovenfor. Således er oppfinnelsen i et generelt aspekt rettet mot en vannturbin av reaksjonstypen omfattende et løpehjul, et sugerør nedstrøms for løpehjulet og en injeksjonsanordning for innføring av vann i sugerøret for å redusere trykkfluktuasjoner i dette. De nye og særegne trekk ifølge oppfinnelsen angår generelt den nevnte injeksjonsanordningen som omfatter en eller flere åpninger i sugerør-veggen innrettet til å fordele injisert vann i det vesentlige jevnt i aksiell retning og/eller omkretsretningen av suge-røret . The present invention aims to improve the water injection device and method in reaction turbines as stated above. Thus, in a general aspect, the invention is directed to a water turbine of the reaction type comprising an impeller, a suction pipe downstream of the impeller and an injection device for introducing water into the suction pipe to reduce pressure fluctuations therein. The new and distinctive features according to the invention generally concern the aforementioned injection device which comprises one or more openings in the suction pipe wall designed to distribute injected water substantially evenly in the axial direction and/or the circumferential direction of the suction pipe.

Når det gjelder fordelingen rundt omkretsen av sugerøret kan dette være rundt hele omkretsen eller bare delvis av denne, fortrinnsvis omfattende i det minste halvparten av omkretsen. Et hovedpoeng er å sørge for en i prinsippet kontinuerlig injisering av vann over et område eller separate områder av sugerørveggen, i motsetning til de konsentrerte stråler av vann fra typiske dyser i henhold til tidligere kjent teknikk. Således vil med denne oppfinnelsen en vesentlig andel eller et vesentlig volum av hoved-vannstrøm-ningen som har en uønsket rotasjonskomponent, bli gunstig influert av det injiserte vannet. As regards the distribution around the circumference of the straw, this can be around the entire circumference or only part of it, preferably comprising at least half of the circumference. A main point is to provide an in principle continuous injection of water over an area or separate areas of the straw wall, in contrast to the concentrated jets of water from typical nozzles according to the prior art. Thus, with this invention, a significant proportion or a significant volume of the main water flow, which has an unwanted rotational component, will be favorably influenced by the injected water.

Andre særegne trekk ifølge oppfinnelsen og oppnådde fordeler vil fremgå av den følgende beskrivelse. Other distinctive features according to the invention and achieved advantages will appear from the following description.

Oppfinnelsen skal nå forklares mer i detalj under henvisning til utførelsesformer av denne, som illustrert på de ledsagende tegningene, hvor: Fig. 1 er en skjematisk oversiktsillustrasjon i aksielt snitt, som viser vesentlige deler av en reaksjons-turbin, inkludert løpehjulet og sugerøret samt en The invention will now be explained in more detail with reference to embodiments thereof, as illustrated in the accompanying drawings, where: Fig. 1 is a schematic overview illustration in axial section, showing essential parts of a reaction turbine, including the impeller and the suction pipe as well as a

vanninj eks j onsanordning, water injection device,

fig. 2 er et forenklet tverrsnitt av sugerøret på fig. 1 fig. 2 is a simplified cross-section of the suction tube in fig. 1

som indikert ved I-l, med en spaltelignende as indicated by I-l, with a slit-like

vanninj eksj onsåpning, water injection opening,

fig. 2A viser formen av vanninjeksjonsåpningen slik den fig. 2A shows the shape of the water injection opening as it is

sees i henhold til pilene A-A på fig. 2, seen according to arrows A-A in fig. 2,

fig. 3 er et lignende tverrsnitt som fig. 2 og viser en annen utførelsesform med et antall vanninjeksjons-åpninger fordelt rundt omkretsen av sugerøret, og fig. 3A viser et forenklet vertikalt tverrsnitt ved en av vanninjeksjonsåpningene på fig. 3. fig. 3 is a similar cross-section as fig. 2 and shows another embodiment with a number of water injection openings distributed around the circumference of the suction tube, and fig. 3A shows a simplified vertical cross section at one of the water injection openings in fig. 3.

På fig. 1 er det illustrert en konvensjonell Francis-turbin med et løpehjul 100 og et sugerør 1, med en rotasjons-akse 100a som også er den sentrale akse for sugerøret 1 umiddelbart nedstrøms for løpehjulet 100. I veggen på sugerøret 1 er det skjematisk vist en injeksjonsåpning 10 for vann som skal innføres med sikte på å redusere trykkfluktuasjoner som omtalt ovenfor. I det tilfellet som er vist på fig. 1 har åpningen 10 en utstrekning som avviker noe fra den aksielle retning 100a av sugerøret 1, hvilket er en foretrukket utførelse under visse forhold. Skråvinkelen kan være større eller mindre i forhold til aksen 100a enn det som er illustrert på fig. 1, blant annet avhengig av størrelsen av de rotasjonskomponenter som kan forventes i hovedvannstrøm-ningen fra løpehjulet 100. In fig. 1, a conventional Francis turbine is illustrated with an impeller 100 and a suction pipe 1, with a rotation axis 100a which is also the central axis of the suction pipe 1 immediately downstream of the impeller 100. In the wall of the suction pipe 1, an injection opening is schematically shown 10 for water to be introduced with the aim of reducing pressure fluctuations as discussed above. In the case shown in fig. 1, the opening 10 has an extent that deviates somewhat from the axial direction 100a of the suction pipe 1, which is a preferred embodiment under certain conditions. The slant angle can be larger or smaller in relation to the axis 100a than what is illustrated in fig. 1, among other things depending on the size of the rotational components that can be expected in the main water flow from the impeller 100.

Fig. 2, som er et tverrsnitt som angitt ved I-l på fig. 1, illustrerer mer i detalj en utførelse der injeksjonsanordningen omfatter et vannfordelingskammer 4 utvendig på sugerørveggen la og i kommunikasjon med en spalte eller åpning 10 i veggen. Den spaltelignende injeksjonsåpningen 10 er her vist som forløpende parallelt med sugerøraksen og har i likhet med den på fig. 1 en i det vesentlige langstrakt form. Ifølge oppfinnelsen er det således foretrukket at den longitudinale eller aksielle dimensjon av åpningen 10 er flere ganger så stor som dennes breddedimensjon. Mer spesielt kan dette dimensjonsforholdet tilsvare opptil en eller to størrelsesordener, hvorved åpningen kan anta formen av en ganske smal, lang sliss i sugerørveggen la. Fig. 2, which is a cross-section as indicated by I-1 in Fig. 1, illustrates in more detail an embodiment where the injection device comprises a water distribution chamber 4 externally on the suction pipe wall 1a and in communication with a gap or opening 10 in the wall. The slit-like injection opening 10 is shown here as running parallel to the axis of the straw and, like the one in fig. 1 an essentially elongated shape. According to the invention, it is thus preferred that the longitudinal or axial dimension of the opening 10 is several times as large as its width dimension. More particularly, this dimensional ratio may correspond to up to one or two orders of magnitude, whereby the opening may assume the form of a rather narrow, long slot in the suction tube wall la.

I utførelsen på fig. 3 er det anordnet et forholdsvis stort antall spaltelignende åpninger 20 som er jevnt fordelt langs omkretsen av sugerørveggen la. Det vil innses at skjønt en fullstendig dekning av hele omkretsen, slik som illustrert på fig. 3, er gunstig, kan det tenkes modifikasjoner der partier av omkretsen ikke har slike injeksjonsåpninger. Dette kan være for å sikre at vannet har den riktige vinkelen i forhold til sugerørets akse når det trer inn i sugerøret. In the embodiment in fig. 3, a relatively large number of slot-like openings 20 are arranged which are evenly distributed along the circumference of the suction pipe wall 1a. It will be realized that although a complete coverage of the entire circumference, as illustrated in fig. 3, is favorable, modifications are conceivable where parts of the circumference do not have such injection openings. This may be to ensure that the water has the correct angle in relation to the axis of the straw when it enters the straw.

Det skal bemerkes at for å oppnå den kontinuerlige eller jevne fordeling av injisert vann som forklart ovenfor, er det fordelaktig å ha en total utstrekning av åpninger 20 omkring omkretsen av sugerøret 1, som er mer enn en liten brøkdel av sugerørets diameter umiddelbart nedstrøms for løpehjulet 100 (se fig. 1). Det samme foretrukne forhold gjelder med hensyn til den aksielle lengden eller utstrekningen av åpningen 10 på fig. 1 og 2/2A. It should be noted that in order to achieve the continuous or uniform distribution of injected water as explained above, it is advantageous to have a total extent of openings 20 around the circumference of the suction pipe 1, which is more than a small fraction of the diameter of the suction pipe immediately downstream of the impeller 100 (see fig. 1). The same preferred ratio applies with regard to the axial length or extent of the opening 10 in fig. 1 and 2/2A.

Vann tilføres under trykk gjennom en ledning 2 på fig. 3 og fordeles rundt sugerøret ved hjelp av en ekstern, lukket kanal 3. Således vil vanninjeksjonen finne sted slik som indikert med to piler 25, gjennom alle åpningene 20. Water is supplied under pressure through a line 2 in fig. 3 and is distributed around the suction tube by means of an external, closed channel 3. Thus, the water injection will take place as indicated by two arrows 25, through all the openings 20.

Tverrsnittsdetaljen på fig. 3A viser videre hvordan vanninjeksjonen besørges i denne utførelsen. Fra et ring-formet kammer 5 som dannes av kanalstrukturen 3, har hver åpning 20 i sugerørveggen la et divergerende strømnings-tverrsnittsareal mot det indre av sugerøret 1. Det samme gjelder åpningen 10 på fig. 2. Denne divergerende formen bidrar til en jevn fordeling som omtalt ovenfor, da den divergerende eller koniske formen vil ha en gunstig virkning til å spre det injiserte vannet inn i et stort volum av den vertikale hovedvannstrømning fra løpehjulet 100 (fig. 1). Videre vil denne spredningseffekten i det injiserte vannet bli oppnådd uten noe betydelig energitap. The cross-sectional detail in fig. 3A further shows how the water injection is provided in this embodiment. From a ring-shaped chamber 5 which is formed by the channel structure 3, each opening 20 in the suction tube wall has a divergent flow cross-sectional area towards the interior of the suction tube 1. The same applies to the opening 10 in fig. 2. This divergent shape contributes to an even distribution as discussed above, as the divergent or conical shape will have a beneficial effect in spreading the injected water into a large volume of the vertical main water flow from the impeller 100 (Fig. 1). Furthermore, this dispersion effect in the injected water will be achieved without any significant energy loss.

I en modifikasjon av utførelsen på fig. 3 kan rekken av In a modification of the embodiment in fig. 3 can count

åpninger 20 strekke seg langs en skrå eller skrueformet linje istedenfor at alle åpningene er plassert i det samme radielle plan, slik at det fremkommer en utstrekning som nevnt ovenfor også i aksiell retning. openings 20 extend along an inclined or helical line instead of all the openings being placed in the same radial plane, so that an extension as mentioned above also appears in the axial direction.

Mens det er beskrevet noen praktiske utførelsesformer ifølge oppfinnelsen med skjematisk illustrasjon på tegningene, kan mange modifikasjoner være mulig, så som i antall og form av injeksjonsåpninger eller retningen for vanninjeksjonen, avhengig av kravene ved individuelle vannturbiner av reaksjonstypen der trykkfluktuasjoner i sugerøret kan være et problem. While some practical embodiments of the invention have been described with schematic illustration in the drawings, many modifications may be possible, such as in the number and shape of injection ports or the direction of water injection, depending on the requirements of individual water turbines of the reaction type where pressure fluctuations in the suction pipe may be a problem .

Claims

1. Water turbine of the comprehensive reaction type an impeller (100), a suction pipe (1) downstream of the impeller, and an injection device (10,20) for introducing water into the suction pipe with the aim of reducing pressure fluctuations therein, characterized in that the injection device comprises one or more openings (10,20) in the wall of the suction pipe ( la) arranged to distribute injected water substantially uniformly in the axial direction and/or the circumferential direction of the suction tube (1).

2. Turbine according to claim 1, where said one or more openings together have a total extent in the axial direction and/or the circumferential direction of the suction pipe, which is greater than a small fraction of the diameter of the suction pipe immediately downstream of the impeller.

3. Turbine according to claim 1 or 2, where the said extent is at an angle in relation to the axis of the suction pipe.

4. Turbine according to claim 1, 2 or 3, where at least one opening (10) has an elongated shape with a length dimension that is several times as large as the width dimension of the opening, the length dimension being preferably one or two orders of magnitude larger than the aforementioned width dimension ion.

5. Turbine according to claim 1, 2, 3 or 4, where the said plurality of openings (20) are distributed around a substantial part of the circumference of the suction pipe (1), preferably around at least half of the circumference.

6. Turbine according to one of claims 1-5, where the said opening(s) (10,20) have an outwardly diverging flow cross-sectional area.

7. Method for reducing pressure fluctuations in the suction pipe downstream of the impeller in reaction-type water turbines, by injecting water through the wall of the suction pipe at a level at a distance from the impeller, characterized in that the water is injected so that it is essentially evenly distributed in the axial direction of the suction pipe and/or circumferential direction.