NO327532B1 - Lopehjul for hydraulisk stromningsmaskin. - Google Patents

Abstract

Løpehjul for hydraulisk strømningsmaskin, så. som Francis-turbin, omfattende et nav (1), en krans (2) og mellomliggende skovler (3).Overflatene på navet (1) og kransen (2) sett i meridiansnitt forløper som deler av ellipser hvis ene akse er parallell med løpehjulets rotasjonsakse (10).

Description

Denne oppfinnelse angår en løpehjul-konstruksjon for hydrauliske strømningsmaskiner, så som Francis-turbiner, pumpeturbiner og sentrifugalpumper. Slike turbinkonstruk-sjoner omfatter et nav, en krans og mellomliggende skovler. Disse forskjellige delene av denne type strømningsmaskiner har geometrisk sett temmelig kompliserte former, omfattende mange dobbeltkrumme flater som har avgjørende innvirkning på strømningsbildet og virkningsgraden for slike maskiner. Andre viktige egenskaper som tilstrebes ved konstruksjonen av disse strømningsmaskinene, er driftssikkerhet gjennom en lang levetid, for eksempel i forhold til kavitasjonsproblemer, trykkpulsasjoner og vibrasjoner.

Tradisjonelt har konstruksjonen av løpehjul av forannevnte art vært basert på erfaring samlet fra tidligere konstruerte løpehjul og driften av disse. På denne bakgrunn har det hittil vært svært vanskelig å forme et nytt løpehjul for en gitt installasjon, uten å ha tilgang til oppsamlede erfaringsdata som nevnt.

Nærmere bestemt er det videre normalt i henhold til tradisjonell praksis, å starte konstruksjonsarbeidet med beregning av løpehjulets innløpsradius og avløpsradius basert på valgte hastigheter og strømningsvinkler. Utformingen av skovlene mellom innløp og avløp blir ofte nokså vilkårlig. Med foreliggende oppfinnelse er det således tatt sikte på en mer geometrisk veldefinert og matematisk bestemt utforming av navet, kranset og skovlene. Denne nye konstruksjonsmåten kan være særlig fordelaktig i forbindelse med strømningsmaskiner av mindre dimensjoner, der selve beregnings- og konstruksjonsarbeidet i mange tilfeller ved tradisjonelle metoder, vil kunne utgjøre uforholdsmessig meget bruk av tid og ressurser. Oppfinnelsen tar altså tildels utgangspunkt i et behov for en enklere og raskere konstruksjon og fremstilling av løpehjul, uten det omstendelige og tidkrevende arbeidet som tradisjonelt har vært nødvendig for fremstilling av et nytt løpehjul under gitte betingelser.

Det nye og særegne ved en hydraulisk strømingsmaskin, såsom Francis-turbin, omfattende et nav, en krans og

mellomliggende skovler, består ifølge oppfinnelsen primært i at overflatene på både navet og kransen sett i meridiansnitt og i hele sin lengde fra innløp til avløp forløper i henhold til hver sin matematisk definerte ellipse hvis ene akse er parallell med løpehjulets rotasjonsakse.

Basert på slike prinsipielle, geometriske forhold er det videre ifølge oppfinnelsen angitt en mer spesiell utforming av skovlene, slik det fremgår av patentkravene og den følgende beskrivelse.

De konstruktive løsninger ifølge oppfinnelsen fører til løpehjul med gode strømningsegenskaper og virkningsgrad, samtidig som konstruksjonsarbeidet og selve fremstillingen kan gjøres meget rasjonelt.

Oppfinnelsen skal i det følgende forklares nærmere under henvisning til tegningene, der: Fig. 1 viser et forenklet aksielt snitt gjennom et løpehjul for en Francis-turbin, utformet i henhold

til oppfinnelsen,

fig. 2 er et mer detaljert utsnitt, dels i perspektiv, for illustrasjon av viktige parametre for

løpehjulkonstruksjonen ifølge oppfinnelsen,

fig. 3 viser i tilknytning til et skjematisk aksielt snitt gjennom et løpehjul ifølge oppfinnelsen, en

illustrasjon av visse viktige geometriske forhold, fig. 4 er et diagram til illustrasjon av et skovleprofil

som inngår i eksemplet på fig. 3, og

fig. 5 er et skjematisk radielt eller horisontalt snitt i tilknytning til eksemplet på fig. 3.

I det eksempel på løpehjul-konstruksjon som er vist på fig. 1, nemlig et hjul for en Francis-turbin, inngår på kjent måte et nav 1, en krans eller ring 2 og mellomliggende skovler 3. Hver skovl har en innløpskant 3i og en avløpskant 3a. Innløpskanten forløper mellom et punkt 6a på navoverflaten og et punkt 6b på kransoverflaten. Tilsvarende forløper avløpskanten 3a mellom et punkt 5a på navet og et punkt 5b på kransen.

Det er et grunnleggende trekk ifølge denne oppfinnelse at både navoverflaten 1 og kransoverflaten 2 sett i aksial-eller meridiansnitt har et ellipse-profil. På fig. 2, som skal omtales nærmere nedenfor, er et slikt ellipse-profil definert ved henholdsvis den aksielle ellipseakse Ae og den radielle aksen Be.

Løpehjulets rotasjonsakse er vist ved 10. Ifølge oppfinnelsen er den ene ellipseaksen Ae parallell med rotasjonsaksen 10. For høytrykkmaskiner vil Ae være den korte aksen som er parallell med rotasjonsaksen, og for lavtrykkmaskiner den lange aksen.

Den ellipseaksen som er parallell med rotasjonsaksen kan med fordel være sammenfallende for navets og kransens ellipsedeler. Dette er tilfellet med de lange aksene Ax i eksempelet på fig. 3. Dessuten er det i noen konstruksjoner foretrukket at ellipsedelen for kransens vedkommende utgjør tilnærmet en kvadrant av en hel ellipse, slik det fremgår av figurene 1, 2 og 3.

Figurene 1 og 3 viser videre en linje 4 som betegner en fiktiv midlere strømflate. Dette er en teoretisk flate som ved en ideell strømning gjennom maskinen, deler den totale strømningsmengde i to like deler. Nærmere forklaring av en slike strømflater ("streamsheet") er å finne i Johseph H. Spurk: Fluid Mechanics: ISBN 3-540-61651-9 Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York.

I en slik strømningsmaskin er det mange kompliserte geometriske flater som for det meste er dobbeltkrumme. Særlig komplisert er formen av skovlene 3, som i vesenlig grad er avgjørende for maskinens virkemåte og virkningsgrad. Som nevnt innledningsvis, blir det ved den konstruktive utformingen av nye løpehjul og deres skovler i stor utstrekning bygget på erfaringsmateriale samlet fra tidligere utførte konstruksjoner, hvilket kan være svært omstendelig og ressurskrevende. Når det gjelder skovleoverflåtene er det spesielt sugesiden som blir definert, og som oppmerksomheten skal rettes mot i det følgende. I praksis blir (den varierende) skovletykkelsen lagt på sugesiden til slutt under fremstillingen av skovlene, basert på kjente profiler eller mønstre.

I forbindelse med oppfinnelsen er det funnet svært fordelaktig å utnytte kjennskapet til den forannevnte fiktive midlere strømflate 4, hvis beliggenhet og forløp kan bestemmes teoretisk for en gitt maskingeometri, særlig navoverflaten 1 og kransoverflaten 2, som begge er rotasjonsflater (med akse 10). På fig. 1 er inntegnet en sirkelbue 7 med sentrum i punktet 9 og med radius R8. Denne sirkelbuen er i et gitt meridiansnitt definert ved tre punkter 7a, 7b og 7c på skovlens sugeside, henholdsvis ved navet, kransen og den fiktive midlere strømflate 4, bestemt ved skjæringslinjer fremkommet som følger: Fig. 2 viser som eksempel kransoverflaten 2 med en skjæringslinje SK som følger overgangen eller sammenføyningen mellom skovle-sugesiden og kransen. Tilsvarende skjæringslinjer eller -kurver inngår ifølge oppfinnelsen også ved definisjonen av skovleformen (sugesiden) i overgangen eller sammenføyningen mot navoverflaten, samt analogt i forhold til den fiktive midlere strømflaten.

Ellipsedelen eller -kvadranten for kransen 2 på fig.2, har ved sin lange akse Ae en avstand Re fra rotasjonsaksen 10. Dermed blir avløps/utløpsradien R2=Re-Be. Denne sammen med innløpsradien Ri beregnes og legges normalt til grunn ved starten av konstruksjonsarbeidet, som nevnt ovenfor.

Fig. 2 illustrerer videre følgende inngangsdata for bestemmelse av skovleformen gjennom de nevnte skjæringslinjer

SK:

Skovlens innløpsvinkel (31

Skovlens avløps vinkel (32

En tilfeldig valgt posisjon 5b på avløpet

En valgt posisjon 6b på innløpet i avstand Smax fra (meridiansnittet gjennom) 5b

Avstand m regnes fra avløpskanten mot innløpskanten.

For bestemmelse av skjæringslinjene SK og dermed skovleformen blir i henhold til et viktig aspekt ved oppfinnelsen og basert på de angitte geometriske forhold, følgende likning lagt til grunn:

Som tredjegrads-likning har denne mulighet til å beskrive skjæringslinjer som gir meget gunstige skovleformer etter svært rasjonell beregning. Konstantene a, b og c i likningen kan nå finnes dersom meridian-lengden (m=m2-i=mmax) fra avløp til innløp er gitt sammen med lengden langs omfanget (S2-i=Sn,ax) fra avløp til innløp målt langs innløpssirkelen, samt med avløps vinkel en ((32) og innløpsvinkel ((31) .

En tilleggsbetingelse kan være at krumningen er lik 0 eller med andre ord at det finnes plane partier ved innløp og/eller avløp, det vil si S"=0 (ingen krumning).

Mens fig.l viser ett eneste meridiansnitt som skjærer sugesiden av skovlen 3 i tre punkter 7a, 7b og 7c på skjæringslinjen (SK fig. 2) ved henholdsvis navoverflaten 1, kransoverflaten 2 og midlere strømflate 4, er det på fig. 3 og 5 inntegnet et antall meridiansnitt 9.1-9.15 som her har en jevn vinkelfordeling over den skovl 3 som betraktes. I hvert slikt meridiansnitt fremkommer det punkter tilsvarende de nevnte punktene 7a, 7b og 7c med tilhørende sirkler markert som resp. 9.1-9.14 på fig. 3. Disse sirklene har hvert sitt sentrum C1-C14 beliggende på en kurve CK. Eksempelvis er en radius R3 inntegnet fra senteret C3 til den tilhørende sirkel 9.3. Det er et trekk ifølge oppfinnelsen at kurven CK skal være en praktisk sett kontinuerlig kontrollkurve for de viste sirklene og dermed de tre punktene (eks. 7a, 7b, 7c) på hver av disse, som bestemmer at hele overflatekonturen på sugesiden av hver skovl gir en glatt overflate uten bulker eller lignende uregelmessigheter.

Mens en sirkelform definert ved de tre punktene er brukbart som det enkleste alternativ, kan det ofte med større fordel benyttes ellipser. Sirkelformen kan riktignok anses å være et spesialtilfelle av ellipsen. Ellipsebuer kan på tilsvarende måte som sirkler tilpasses for å gå gjennom de tre punktene. Dette er som eksempel illustrert på fig. 3 ved to meridiansnitt 9.3 og 9.7, der ellipseforløpene er stiplet inn og har lange/korte akser betegnet henholdsvis A3/B3 og A7/B7. (Løsningen med sirkler fremkommer som spesialtilfelle dersom de to aksene er like, dvs. A=B.) Tilhørende krysningspunkter mellom disse ellipseaksene er vist ved E3 resp. E7. Likesom sirkelsentrene C1-C14 skal krysningspunktene for ellipseakser fremkommet i et antall fordelte meridiansnitt, ligge på en i det vesentlige kontinuerlig (kontroll)kurve, for at en gunstig glatt utformning av skovlens sugeside skal bli oppnådd. I ellipsetilfellet vil denne kontrollkurven åpenbart få en annen beliggenhet og form enn i sirkeltilfellet, men kurven vil nærme seg kurven for sirkelsnitt når B blir nesten lik A. Det fremgår videre av fig. 3 at kortaksene B3 og B7 i de to ellipsene står normalt på tangenten til hver av ellipsene (stiplet) der disse skjærer navkonturen 1. Meridiansnittene

(aksialsnittene) ved bruk av ellipser avviker som regel ikke meget fra tilsvarende sirkler, men selv om forskjellen er liten, vil eksperter på dette området innse at denne er betydningsfull.

Det nevnte forholdet B/A for aksene i ellipsene i meridiansnittene vil normalt forandre seg fra innløp til avløp i løpehjulet. Om sirkelsnitt brukes, vil radien i sirkelsnittene likeledes forandre seg fra innløp til avløp. Dessuten kan man ha sirkelsnitt i deler av løpehjulet med gradvis overgang til ellipseformen mot for eksempel avløpet.

Betydningen av den omtalte kontrollkurven CK på fig. 3 ligger i at senter- (eller krysnings-) punktene på denne bestemmer vinkelen mellom meridiansnittene gjennom skovleflaten (på sugesiden) og normalen på de tre rotasjonsflåtene (navoverflaten, kransoverflaten og midlere strømflate) i skjæringspunktet med skovleflaten, med andre ord skovleblad-helningen. Denne bladhelningen er viktig for en optimal trykkfordeling i hjulet, og en matematisk/- parameterstyrt bladhelning slik som her foreskrevet, kan med gode resultater i praksis beregnes ved hjelp av regneark.

Fig. 4 tjener til å illustrere et typisk skovlesnitt eller profil ved kransen 2, vist utbrettet i et plant diagram. Dette tilsvarer i hovedsak løpehjulet på fig. 3. Sugesiden er på fig.4 betegnet 3s og dessuten er de to vinklene (31 og (32 ved henholdsvis innløp og avløp inntegnet.

På vanlig måte illustrerer fig. 5 en skovl som på fig. 3 sett i radielle snitt (A-Q på fig. 3)eller som såkalt kotekart, med inntegnede meridiansnitt 9.1-9.15.

I mange tilfeller kan det være hensiktsmessig å la visse partier av skovlens sugeside-overflate nær innløps- og/eller avløpskanten være plane, dvs. uten krumning, hvilket er i og for seg tidligere kjent fra andre løpehjulkonstruksjoner.

Ved beregning og konstruksjon av et nytt løpehjul av den art som er beskrevet ovenfor, omfatter fremgangsmåten trekk som allerede er nevnt, og nærmere bestemt er fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen i det vesentlige angitt i patentkrav 6.

På tegningene er det vist maskiner med vertikal akse, men det er klart at oppfinnelsen også kan utnyttes i maskinkonstruksjoner med horisontal aller annen aksevinkel.

Claims (6)

1. Løpehjul for hydraulisk strømningsmaskin, så som Francis-turbin, omfattende et nav (1), en krans (2) og mellomliggende skovler (3), karakterisert ved at overflatene på både navet (1) og kransen (2) sett i meridiansnitt og i hele sin lengde fra innløp til avløp forløper i henhold til hver sin matematisk definerte ellipse hvis ene akse (Ae) er parallell med løpehjulets rotasjonsakse (10) .

2. Løpehjul ifølge krav 1, der skjæringslinjen (SK) mellom sugesiden av hver skovl (3) og navoverflaten (1) resp. kransoverflaten (2) og likeledes skjæringslinjen mellom sugesiden av hver skovl og den fiktive midlere strømflaten (4) følger en kurve S, som er bestemt ved likningen: der S er avstand langs omkretsen, fra meridiansnittet gjennom skovlens avløpskant (3a), m er avstand langs meridiansnittet regnet fra skovlens avløpskant (3a) og a, b og c er konstanter, og grensebetingelser er gitt ved valg av skovlens innløpsvinkel (pl) og avløpsvinkel ((32), total avstand (mmax) langs meridiansnittet fra avløpskanten (3a) til innløpskanten (3i) , og total avstand (Smax ) langs innløpets omkrets fra meridiansnittet gjennom skovlens avløpskant (5b) til skovlens innløpskant (6b), idet de nevnte konstantene er gitt ved: samt at de nevnte skjæringslinjer (SK) i hvert meridiansnitt (9.1-9.14) definerer tre punkter (7a,7b,7c) på en sirkelbue (7) eller ellipsebue, der sentrene (C1-C14) for sirkelbuer, henholdsvis skjæringspunktet mellom aksene i ellipsebuer, fremkommet i et antall meridiansnitt, danner en kontinuerlig kurve (CK).

3. Løpehjul ifølge krav 1 eller 2, der nevnte ene akse (Ax) for navoverflatens resp. kransoverflatens matematisk definerte ellipse, er sammenfallende.

4. Løpehjul ifølge krav 1, 2 eller 3 , der kransoverflatens (2) matematisk definerte ellipse utgjør tilnærmet en ellipsekvadrant.

5. Løpehjul ifølge et av kravene 1-4, der skovlens (3) overflater nær innløps- og/eller avløpskanten (3i/3a) er plane.

6. Fremgangsmåte for konstruksjon av løpehjul for hydraulisk strømningsmaskin, så som Francis-turbin, omfattende et nav (1), en krans (2) og mellomliggende skovler (3) , karakterisert ved at overflatene på navet (1) og kransen (2) sett i meridiansnitt utformes som deler av ellipser hvis ene akse (Ae) er parallell med løpehjulets rotasjonsakse (10), at det bestemmes kurver S i henhold til likningen: S er avstand langs omkretsen, fra meridiansnittet gjennom skovlens avløpskant (3a), m er avstand langs meridiansnittet regnet fra skovlens avløpskant (3a) og a, b og c er konstanter, og grensebetingelser er gitt ved valg av skovlens innløpsvinkel ((31) og avløpsvinkel ((32), total avstand (mmax) langs meridiansnittet fra avløpskanten (3a) til innløpskanten (3i) , og total avstand (Smax ) langs innløpets omkrets fra meridiansnittet gjennom skovlens avløpskant (5b) til skovlens innløpskant (6b), idet de nevnte konstantene er gitt ved: at skjæringslinjen (SK) mellom sugesiden av hver skovl (3) og navoverflaten (1) resp. kransoverflaten (2) og likeledes skjæringslinjen mellom sugesiden av hver skovl og den fiktive midlere strømflaten (4) utformes til å følge hver sin av de nevnte kurver S, samt at overflaten av skovlenes sugeside utformes med tre punkter (7a,7b,7c) som fremkommer i hvert meridiansnitt (9.1-9.14) ved de nevnte skjæringslinjer (SK) , og som definerer en sirkelbue (7) eller ellipsebue, der sentrene (C1-C14) for sirkelbuene, henholdsvis skjæringspunktet mellom aksene i ellipsebuer, som fremkommer i et antall meridiansnitt, bringes til å ligge på en kontinuerlig kurve (CK).