NO325861B1 - Fremgangsmåte og anordning for å forbedre effektiviteten til vannturbiner - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte og en innretning for å forbedre effektiviteten og yteevnen til vannturbiner av impulstypen, og da særlig, men ikke utelukkende, Peltonturbiner.

Når vann med høyt trykk og/eller stor hastighet treffer deler av en generator beregnet på å roteres, har vann generelt en tendens til å sprute og derved skape en sprut som treffer turbinhusets vegger og/eller deler av turbinen som er beregnet på å roteres. Særlig er Peltonturbiner utsatt for sekundære tap skapt av vann med høy hastighet som forlater skovlene og som treffer stillestående deler innvendig i turbinhuset og derigjennom forårsaker tap generert av

i) tilbakesprut på rotoren, og

ii) forstyrrelser på den innkommende vannstrålen.

Horisontale Peltonturbiner er særlig utsatt for slike tap. Slik vagabonderende sprut er uønsket og må elimineres, eller i det minste reduseres.

Når vann, som er utsatt for høyt trykk, treffer en hard flate eller en hindring i en vinkel, har vannet en tendens til å bli svært pulverisert. Dette skaper små dråper og dråper i form av en sammenpresset sky av vanndråper inne i huset. Slike dråper eller slik sky av «sammenpressede» vanndråper er en annen kilde til tap i en vannturbin og benevnes ofte som luftmotstandstap. Luftmotstandstap i en Peltonturbin omfatter friksjonstap og kollisjonstap mellom roterende deler (løpehjul) og partikler i atmosfæren inne i huset som omgir de roterende deler. For en Peltonturbin produserer dette rotasjonsmotstand som hjulet utsettes for inne i huset, forårsaket av luft som inneholder sammenpressede vanndråper.

Det har tidligere vært foreslått å holde vagabonderende vannsprut borte fra turbinhjulet og skovlene på en Peltonturbin. For å redusere vagabonderende sprut på det roterende turbinhjul og på skovlene i en Peltonturbin som roterer om en horisontal rotasjonsakse, har det vært forslått å utstyre den øvre regionen av et turbinhus med vertikale metallplater beliggende parallelt med turbinhjulets plan, mens horisontale plater er anordnet på motsatt side av høytrykksdysen for derigjennom å forhindre vannspruten i å komme opp i den øvre del av huset.

US patentskrift nr. 4,950,130 viser en Peltonturbin som inkluderer en hjulskive utstyrt med skovler, montert inne i

et hus på en roterbar drivaksel. Minst en dyse er utstyrt for å støte ut en væskestråle som treffer skovlene tangensialt på hjulet. En skilleinnretning deler det indre av huset inn i en sprutsone, en utløpssone og en øvre ventilasjonssone. Skille-innretningen er plassert slik at mer en halve turbinhjulet

roterer i den relativt tørre ventilasjonssonen. Den drivende væsken faller fra skovlene ned i en sump i utløpssonen, mens den gjenværende væsken tørkes av turbinhjulet ved hjelp av skilleplaten. Ventilasjonssonen tillater ventilering av huset og produserer en strøm av gass som øker trykket i sumpen for derigjennom å øke utstrømmingen av væske.

Innvendige strømningsobservasjoner ved modellforsøk med Peltonturbiner viser tilstedeværelse av et fysisk tapsfenomen som forårsakes av en innvendig vannstrøm som samvirker med de innvendige deler av huset. Utvikling og utforming av strøm-ningsstyringer ved modellforsøk er en velkjent måte for å løse dette problemet. Prosessen kan imidlertid være svært tidkrevende og noen ganger vil slike tilpasninger kun gi minimale effektforbedringer.

Tidligere og eksisterende tilnærminger til problemet knyttet til effekttap forårsaket av energitap i vannturbiner, skapt av sprutvann, er å utforme og utstyre turbinhuset med fysiske strømningsstyringer og skjermer som beskrevet ovenfor i tilknytning til den kjente teknikk. En har imidlertid ved modellforsøk funnet at selv om strømningsstyringer er installert, så vil likevel kun en mindre del av tapene bli eliminert.

Et formål med foreliggende oppfinnelse er å forbedre yteevnen, påliteligheten og effektiviteten til en vannturbin.

Et andre formål ved oppfinnelsen er å redusere turbinhusets nødvendig størrelse og volum.

Et annet formål ved oppfinnelsen er å skaffe tilveie en løsning som også kan anvendes på eksisterende turbiner, og derved forbedre effektiviteten og yteevnen til eksisterende turbiner uten å koste mye.

Et ytterligere formål med oppfinnelsen er å forhindre vagabonderende vann eller sekundær vannsprut i å treffe roterende deler.

Nok et formål med oppfinnelsen er å forbedre de atmosfæriske forhold innvendig i turbinhuset og derigjennom redusere tapene skapt av luftmotstand.

Nok et formål ved oppfinnelsen er å redusere vibrasjoner og støy som skapes når turbinhusets vegger utsettes for vann med høy hastigheter og høyfrekvente turbulenser.

Formålene og forbedringene ved foreliggende oppfinnelse oppnås ved trekkene spesifisert i den karakteriserende delen av de selvstendige krav. Ifølge foreliggende oppfinnelse er det skaffet til veie en innretning og en fremgangsmåte som eliminerer, eller i det minste reduserer de sekundære tapene som opptrer innvendig i en vannturbin.

Ifølge foreliggende oppfinnelse forbedres effektiviteten og virkningsgraden til vannturbiner generelt og for Peltonturbiner spesifikt ved å feste en eller flere energidempende innretninger på stasjonære, vannsprututsatte deler innvendig i turbinhus, for derigjennom å redusere mengden av uheldig sprutvann på det roterende turbinhjul, for derved å hindre energitap i det minste skapt av vann med høy hastighet som forlater skovlene og/eller skapt av tett pulverisert vanntåke.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det også mulig å forbedre effektiviteten og yteevnen til eksisterende vannturbiner uten å måtte gjennomføre omfattende og kostbare ombygginger eller oppgraderinger av eksisterende turbiner. Ved å tildekke utsatte vegger og andre stasjonære deler innvendig i turbinkassen med energidempende innretninger, vil energi som alltid er gjenværende i vannet bli dempet ned og vannet vil falle ned uten å forårsake negative effekter. For nye Peltonturbiner vil energidempende vegger som er dekket med løsninger ifølge oppfinnelsen gjøre det mulig å redusere hovedkassens dimensjoner og å forenkle oppbyggingen av kassen, og likevel opprettholde et høyt nivå på effektiviteten. Ved oppgradering av gamle, eksisterende turbiner, kan veggene dekkes om nødvendig, hvilket vil kunne kompensere for mer kostbar introduksjon av strømningsstyringer og skjermer, for eksempel i form av styreribber eller lignende.

Sekundære effekttap kan variere fra 0,5% for nye turbiner, til 1-5% eller mer for eldre, eksisterende turbiner. Eliminering av disse problemene vil i) forbedre turbinens effektivitet, ii) øke påliteligheten med hensyn til gitte garantier og iii) redusere produksjonskostnadene for Peltonturbiner med høy virkningsgrad. Selv om produksjonskostnadene vil øke noe som følge av de påmonterte veggdekkene, vil energigenereringen øke for kraftstasjonen grunnet økt effektivitet, hvilket gjør slike investeringer lønnsomme.

En utførelsesform av den foreslåtte innretning kan fortrinnsvis være i form av en enkel, standardisert, lavkostnads matte med en viss form, bredde og tykkelse, fortrinnsvis laget av et kommersielt tilgjengelig materiale. Matten kan rulles ut, tilpasses og trimmes til den aktuelle vegg eller deldimensjon, og deretter festes til veggen. I tillegg til forbedringen av effektivitet har matten også et potensial for å redusere krefter som virker på stasjonære turbindeler ved rusingsforhold.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er de atmosfæriske forhold innvendig i turbinhuset forbedret, hvilket medfører reduksjon i luftmotstandstap, siden turbinveggene som treffes av vann fra de løpende skovler er dekket av innretninger for å absorbere, dempe eller fange opp energi.

På grunn av nevnte innretning for å absorbere, dempe eller fange opp energi, reduseres videre vibrasjoner og støy som har sitt utløp fra den del av turbinhuset som utsettes for vann med høy hastighet og høye frekvenser.

Ifølge foreliggende oppfinnelse vil de uheldige effekter av «aggressivt» vann dempes ved å begrense uheldig

tilbakesprut av vann på det løpende hjulet og/eller på vannstrålen (e) som forlater vanninjektorene. Videre reduseres den såkalte sekundære tapet med ved løsningen ifølge foreliggende oppfinnelse - den såkalte luftmotstandstapet.

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives i større detalj under henvisning til de medfølgende tegninger, der: figur 1 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en horisontal Peltonturbin, der retningen på vannstrålene som kommer ut fra hjulet indikeres;

figur 2 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom den horisontale Peltonturbin som er vist i figur 1, der også innvendige områder i turbinhuset som er eksponert for utstrømmende vann er vist.

Figur 1 viser skjematisk et vertikalsnitt gjennom en horisontal Peltonturbin 10. Turbinen 10 omfatter et hus eller en kasse 11 som dekker et løpende hjul eller en løper 12 og en aksling 13 som er roterbart anordnet på lagre (ikke vist), konfigurert i veggene til huset 11. Langs periferien til løperen 12 er et anordnet et stort antall skovler 14. Når disse utsettes for vannstråler 15 fra dysene eller injektorene 16, påføres skovlene 14 en stor kraft med høyt trykk og/eller hastighet, slik at løperen settes i rotasjon med høy hastighet. Ifølge utførelsesformen vist i figur 1 benyttes to dyser 16 for å rotere løperen 12.

Ved sin nedre ene kommuniserer huset åpent med en sump 17 gjennom et væskeutløp 18 som mottar brukt vann som har vært spylt inn i skovlene 14.

Ved sin øvre ende er huset utstyrt med et toppdeksel 19 og en innvendig skilledel 20 som fortrinnsvis er gitt en slik kontur at det dannes en avdelende tetting innvendig i huset. Pilene vist i figur 1 indikerer retningen på vannet når dette forlater skovlene 14 etter at vannet har truffet nevnte skovler 14.

Figur 2 indikerer typiske overflatearealer 21A-21F som utsettes for uheldig sprut, innvendig i huset 11. Det skal anføres at også innvendige overflater i de innvendige delene utsettes for slik uheldig sprut. Også andre overflatearealer enn de som er indikert i figuren kan være utsatt for slik uheldig sprut.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er overflatearealer som er utsatt for uheldig sprut utstyrt med overflater som er egnet til å dempe tilbakesprut. Slike overflater kan inkorpo-rere innretninger for demping av spruten. Innretningene kan for eksempel være matter som er festet til overflatene 21A-21F på en hvilken som helst egnet måte for derigjennom å fange opp energien fra det sprutende vann. Mattene kan være laget av et plastmateriale, metallplater og/eller et komposittmateriale, eksempelvis med en overflatetekstur som er egnet for å forbedre dempingseffekten.

Det skal anføres at ifølge en alternativ utførelsesform av foreliggende oppfinnelse, så kan dempingsinnretningene i tillegg til, eller i stedet for matter, omfatte metalliske dempingsinnretninger, slik som for eksempel kjeder eller kjettinger festet til de innvendige overflater og/eller strekkmetall, gitterrister eller lignende.

Ifølge foreliggende oppfinnelse benyttes de energidempende veggbeleggene som er festet til vegger og stasjonære komponenter utsatt for vann innvendig i Peltonturbiner for å redusere eller eliminere sekundære effektivitetstap i turbinen.

Oppfinnelsen kan anvendes på alle typer Peltonturbiner, og særlig de horisontale typene, både nye og eksisterende turbiner. Det skal imidlertid anføres at foreliggende oppfinnelse også kan anvendes i tilknytning til en hvilken som helst annen impulstype vannturbiner der sprut eller komprimerte vanndråper vil kunne være til stede og skape uheldig reduksjon a i turbinens effektivitet.

Det skal anføres at selv om figurene viser en Peltonturbin med to vanndyser, så er oppfinnelsen også anvendbar for turbiner som har et hvilket som helst annet antall med dyser, uten derved å fravike den oppfinneriske ide.

Dempingsinnretningene kan være i form av kjettinger eller kjeder, laget av et hvilket som helst egnet materiale, slik som plastmateriale, kompositt, metall eller lignende.

Alternativt kan dempingsinnretningene omfatte dempeinnretninger slik som strekk metall eller gitterrister, laget av et hvilket som helst egnet materiale, så som plastmateriale, kompositt, metall eller lignende.

Alternativt kan dempingsinnretningene omfatte innretninger slik som kassetter av strekkmetall eller gitterrister som omgir et dempende fyllmateriale, spon laget av et hvilket som helst egnet materiale, slik som plastmateriale, kompositt, og/eller metall eller lignende.

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for å forbedre effektiviteten til vannturbiner (10) av impulstypen, slik som Peltonturbinr, hvilken vannturbin (10) omfatter et roterende turbinhjul i form av en skive (12), og fortrinnsvis et flertall skovler (14) festet til hjulskiven (12), og videre omfattende minst en dyse (16) som spruter ut en vannstråle (15) mot minst en skovle (14), idet det roterbare hjul (12) og nevnte minst en dyse (16) er anordnet i et hus (11) med et vannutløp (18), og at det indre av huset (11) er utstyrt med innretninger (20) for å redusere tilbakesprut fra vannstrålen(e) (15) eller uheldig vannsprut på det roterbare hjul (12), hvilke innretninger (20) er anordnet på den flate der vannstrålen (15) treffer huset (11), karakt risert ved at en eller flere energidempende innretninger er festet til stasjonære vannsprututsatte deler (21A-21F) inne i turbinhuset (11) andre enn den overflate der vannstrålen (15) treffer huset (11), for å fange opp energi i det minste fra vann med høy hastighet som forlater skovlene (14) og/eller tett pulverisert vanndamp.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der en eller flere dempeinnretninger er trimmet og festet til den del (21A-21F) av den aktuelle vegg og/eller del.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, der en eller flere dempeinnretninger er festet til strømningsstyringene (20) innvendig i turbinhuset (11).

4. Fremgangsmåte ifølge en av kravene 1-3, der dempeinn-retningene er festet de innvendige overflater (21A-21F) i en Peltonturbin med en eller flere dyser (16), idet dempeinn-retningnene er konfigurert for å lede vann vekk fra den roterende løper (12) og/eller innkommende vannstråle(r) (15).

5. Innretning for å øke effektiviteten til vannturbiner (10) av impulstypen, særlig Peltonturbiner, hvilken vannturbin (10) omfatter et roterbart turbinhjul som har en hjulskive (12) og fortrinnsvis et flertall skovler (16) festet til hjulskiven (12), og som videre omfatter minst en dyse (16) for å sprute en vannstråle (15) på nevnte minst en skovle (14), der det roterbare hjul (12) og nevnte minst en dyse (16) er anordnet i et hus (11) med et vannutløp (18), og at den indre overflate av huset (11) som vannstrålen (15) treffer er utstyrt med innretninger (20) for å redusere uheldig vannsprut på det roterbare hjul (12), karakterisert ved at innretningene også omfatter en eller flere dempeinnretninger anordnet på de stasjonært utsatte deler (21A-21F) innvendig i turbinhuset (11) andre enn den nevnte overflate hvor vannstrålen (15) treffer huset (11).

6. Innretning ifølge krav 5, der en eller flere dempeinnretninger har en ru utvendig overflate som vender mot rommet der vannsprut skjer.

7. Innretning ifølge krav 5 eller 6, der den ru overflaten er i form av løkkeformede tråder.

8. Innretning ifølge krav 5 eller 6, der dempeinnretningen omfatter dempeinnretninger slik som kjeder eller kjetting, laget av et egnet materiale, slik som plast, kompositt, metall eller lignende.

9. Innretning ifølge krav 6 eller 6, der dempeinnretningen omfatter dempeinnretninger slik som strekkmetall eller gitterplater, laget av et egnet materiale, slik som plast, metall, kompositt eller lignende.

10. Innretning ifølge krav 5 eller 6, der dempeinnretningen omfatter dempeinnretninger slik som kassetter av strekkmetall eller gitterplater som omgir dempende fyllmateriale i form av spon av et egnet materiale, slik som plast, kompositt og/eller metall eller lignende.