WO2004051078A1 - Water turbine - Google Patents

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Thomas KÄCHELE
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Voith Siemens Hydro Power Generation Gmbh & Co. Kg
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    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B11/00—Parts or details not provided for in, or of interest apart from, the preceding groups, e.g. wear-protection couplings, between turbine and generator
    • F03B11/006—Sealing arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to water turbines, in particular axial water turbines, for. B. Kaplan turbines. See for example DE 101 00 963 A
  • Such a turbine has an impeller, a stator and a housing as essential parts.
  • the impeller comprises a shaft and a number of blades which are carried by and rotate with the shaft.
  • the blades are generally adjustable about axes of rotation that are perpendicular to the longitudinal axis of the shaft.
  • the adjustment of the blades serves to optimize the efficiency of the turbine, namely across the entire working area.
  • the cavitation is reduced or avoided with appropriate adjustment.
  • Kaplan turbines with a vertical shaft, but also with a horizontal shaft.
  • the invention is based on the object of designing a Kaplan turbine of the type described at the outset in such a way that the efficiency is increased and the
  • the inventor has focused on a solution that has so far been used in the
  • Figure 1 shows a Kaplan turbine with adjustable blades in elevation and partially in section.
  • Figure 2 shows a tubular turbine in an axial section.
  • Figure 3 shows part of an impeller of a Kaplan turbine, partly in
  • Figure 4 shows the blade shown in Figure 3 with seal in one
  • Figure 5 shows the seal of Figure 4 in an enlarged view and in a sectional view A-A.
  • the Kaplan turbine shown in FIG. 1 has an impeller 1 which is supported by a shaft 2.
  • the shaft 2 is arranged vertically.
  • the drive has adjustable blades 1.1.
  • the impeller is enclosed by a current-carrying wall 3.
  • a guide vane ring 4 is also provided. This is stored in the wall 3.
  • the guide vanes 4.1 are also adjustable.
  • Adjustment force is applied, which is proportional to the fall height.
  • the blades 1.1 each carry a sealing element 30 on their peripheral area. This consists of an elastic and at the same time highly wear-resistant material. It has the shape of a ribbon. It is touching or almost touching the current-carrying wall 3, so that there is virtually no gap between these two.
  • the Kaplan turbine shown in FIG. 2 is a tubular turbine with a horizontal shaft.
  • a tubular wall 3 forms a flow channel.
  • the turbine again has the same components as those according to FIG. 1.
  • An impeller 1 and a guide vane ring 4 can be seen.
  • Blades that is, they are firmly connected to them, and rest on the inner surface of the wall 3.
  • FIGS. 3, 4 and 5 How such a configuration looks in detail can be seen from FIGS. 3, 4 and 5.
  • Figure 3 illustrates two embodiments. See area A on the left and area B on the right. See also Detail A and Detail B.
  • a sealing unit 30 is assigned to this rotor blade.
  • the sealing unit 30 comprises a sealing element 30.1.
  • the seal 30.1 is assigned a support element 30.2.
  • the sealing element consists of elastic, pliable, rubber-like material. It is fixed in the peripheral area of the blade 1.1.
  • the Support element 30.2 is fixed both to the rotor blade 1.1 and to the sealing element 30.1.
  • the sealing element 30.1 is fixed in such a way that the sealing element 30.1 is interchangeable.
  • the pressure side DS and the suction side SS are indicated in FIGS. 4 and 5.
  • the water flows from top to bottom.
  • the sealing element 30.1 is directed against the flow. The presses
  • the rotation of the impeller 1 produces a drag flow with respect to the sealing element 30.1 from the suction side to the pressure side.
  • the sealing element is lifted off the housing wall 3, similar to a hydrodynamic plain bearing. There is thus a minimal gap between the housing wall 3 and the sealing element 30.1. This gap is filled with water. The water has a "lubricating effect" to a certain extent. This prevents wear of the sealing element 30.1.
  • a hydraulic seal can be provided in addition to the mechanical sealing unit 30 or by itself.
  • a water curtain is generated between the inner surface of the wall 3 and the outer circumference of the moving blades or the guide blades.
  • either the wall 3 or the blades are provided with bores which have a pressurized water connection, and their
  • Mouths are each directed towards the other element - wall or blade - so that the gap between these two is more or less is sealed and no or only a small gap flow can take place.

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Abstract

The invention relates to an axial water turbine comprising: a rotor that has a hub and blades; a stator that also has blades, and; a housing that encloses the rotor and the stator. Said rotor is connected to a turbine shaft in a rotationally fixed manner. The inventive axial water turbine is characterized by the following feature. A sealing unit is provided for closing the gap or for reducing the width of the gap between the peripheral edge of at least some of the blades and the housing.

Description

Wasserturbine water turbine
Die Erfindung betrifft Wasserturbinen, insbesondere axiale Wasserturbinen, z. B. Kaplanturbinen. Siehe beispielsweise DE 101 00 963 AThe invention relates to water turbines, in particular axial water turbines, for. B. Kaplan turbines. See for example DE 101 00 963 A
Eine solche Turbine weist als wesentliche Teile ein Laufrad, ein Leitrad sowie ein Gehäuse auf. Das Laufrad umfasst eine Welle sowie eine Anzahl von Schaufeln, die von der Welle getragen sind und mit dieser umlaufen. Die Schaufeln sind im allgemeinen um Drehachsen verstellbar, die senkrecht zur Längsachse der Welle verlaufen.Such a turbine has an impeller, a stator and a housing as essential parts. The impeller comprises a shaft and a number of blades which are carried by and rotate with the shaft. The blades are generally adjustable about axes of rotation that are perpendicular to the longitudinal axis of the shaft.
Das Verstellen der Schaufeln dient dazu, den Wirkungsgrad der Turbine zu optimieren, und zwar über den gesamten Arbeitsbereich hinweg. Außerdem wird bei entsprechendem Verstellen die Kavitation verringert oder vermieden.The adjustment of the blades serves to optimize the efficiency of the turbine, namely across the entire working area. In addition, the cavitation is reduced or avoided with appropriate adjustment.
Es gibt Kaplanturbinen mit vertikaler Welle, aber auch solche mit horizontaler Welle.There are Kaplan turbines with a vertical shaft, but also with a horizontal shaft.
Es wurden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um den Arbeitsbereich und den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen mit gelenkten Strömungen zu verbessern. Die Maßnahmen waren bis zu einem gewissen Grade erfolgreich. Eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ist jedoch wünschenswert.Numerous efforts have been made to improve the working area and the efficiency of hydraulic machines with directed flows. The measures were successful to some extent. However, a further increase in efficiency is desirable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Kaplanturbine der eingangs beschriebenen Art derart zu gestalten, dass der Wirkungsgrad gesteigert und dieThe invention is based on the object of designing a Kaplan turbine of the type described at the outset in such a way that the efficiency is increased and the
Kavitationsgefahr vermindert wird.Cavitation risk is reduced.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This object is solved by the features of claim 1.
Der Erfinder hat sich auf einen Lösungsansatz konzentriert, der bisher in derThe inventor has focused on a solution that has so far been used in the
Fachwelt kaum Beachtung fand. Er hat nämlich erkannt, dass im Bereich der Umfangskante der Schaufel erhebliche Wassermengen von der Druckseite zur Saugseite der Schaufel strömen. Diese Spaltströmung bedeutet eine erhebliche Verringerung des Wirkungsgrades. Außerdem bilden sich im Spalt Wirbelzöpfe, die zu Kavitation führen können.Specialists hardly noticed. He has recognized that in the area of the peripheral edge of the blade considerable amounts of water from the pressure side to Flow the suction side of the bucket. This gap flow means a significant reduction in efficiency. In addition, vortex braids form in the gap, which can lead to cavitation.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:The invention is explained in more detail with reference to the drawing. The following is shown in detail:
Figur 1 zeigt eine Kaplanturbine mit verstellbaren Schaufeln im Aufriss und teilweise im Schnitt.Figure 1 shows a Kaplan turbine with adjustable blades in elevation and partially in section.
Figur 2 zeigt eine Rohrturbine in einem Axialschnitt.Figure 2 shows a tubular turbine in an axial section.
Figur 3 zeigt einen Teil eines Laufrades einer Kaplanturbine, teilweise imFigure 3 shows part of an impeller of a Kaplan turbine, partly in
Axialschnitt sowie vergrößerte Detailansichten A und B.Axial section and enlarged detail views A and B.
Figur 4 zeigt die in Figur 3 dargestellte Laufschaufel mit Dichtung in einerFigure 4 shows the blade shown in Figure 3 with seal in one
Ansicht auf den Umfangsbereich.View of the peripheral area.
Figur 5 zeigt die Dichtung von Figur 4 in einer vergrößerten Darstellung und in einer Schnittansicht A-A.Figure 5 shows the seal of Figure 4 in an enlarged view and in a sectional view A-A.
Die in Figur 1 gezeigte Kaplanturbine weist ein Laufrad 1 auf, das von einer Welle 2 getragen ist. Die Welle 2 ist vertikal angeordnet. Das Laufwerk weist verstellbare Laufschaufeln 1.1 auf.The Kaplan turbine shown in FIG. 1 has an impeller 1 which is supported by a shaft 2. The shaft 2 is arranged vertically. The drive has adjustable blades 1.1.
Das Laufrad ist von einer stromführenden Wandung 3 umschlossen. Es ist ferner ein Leitschaufelkranz 4 vorgesehen. Dieser ist in der Wandung 3 gelagert. Die Leitschaufeln 4.1 sind ebenfalls verstellbar.The impeller is enclosed by a current-carrying wall 3. A guide vane ring 4 is also provided. This is stored in the wall 3. The guide vanes 4.1 are also adjustable.
Zum Verstellen dient eine erfindungsgemäße Verstelleinheit, bei welcher eineAn adjustment unit according to the invention, in which one
Verstellkraft aufgebracht wird, die proportional der Fallhöhe ist. Die Laufschaufeln 1.1 tragen jeweils ein Dichtelement 30 an ihrem Umfangsbereich. Dies besteht aus einem elastischen und zugleich hochverschleißfesten Material. Es hat die Gestalt eines Bandes. Es liegt berührend oder fast berührend an der stromführenden Wandung 3 an, so dass quasi kein Spalt zwischen diesen beiden besteht.Adjustment force is applied, which is proportional to the fall height. The blades 1.1 each carry a sealing element 30 on their peripheral area. This consists of an elastic and at the same time highly wear-resistant material. It has the shape of a ribbon. It is touching or almost touching the current-carrying wall 3, so that there is virtually no gap between these two.
Die in Figur 2 dargestellte Kaplanturbine ist eine Rohrturbine mit horizontaler Welle. Dabei bildet eine rohrförmige Wandung 3 einen Strömungskanal. Die Turbine weist wiederum die gleichen Bauteile auf, wie jene gemäß Figur 1. Man erkennt ein Laufrad 1 , ferner einen Leitschaufelkranz 4.The Kaplan turbine shown in FIG. 2 is a tubular turbine with a horizontal shaft. A tubular wall 3 forms a flow channel. The turbine again has the same components as those according to FIG. 1. An impeller 1 and a guide vane ring 4 can be seen.
Bei dieser Konfiguration sind wiederum mechanische Dichtungen vorgesehen, und zwar sowohl zwischen den Schaufeln des Laufrades 1 und der Wandung 3 sowie zwischen den Schaufeln des Leitschaufelkranzes 4 und der Wandung 3. Die Dichtungen sind hier nicht näher dargestellt. Sie sind jedoch Bestandteil derIn this configuration, mechanical seals are again provided, namely both between the blades of the impeller 1 and the wall 3 and between the blades of the guide vane ring 4 and the wall 3. The seals are not shown in detail here. However, they are part of the
Schaufeln, das heißt sie sind mit diesen fest verbunden, und liegen an der Innenfläche der Wandung 3 an.Blades, that is, they are firmly connected to them, and rest on the inner surface of the wall 3.
Wie eine solche Konfiguration im Einzelnen aussieht, erkennt man aus den Figuren 3, 4 und 5.How such a configuration looks in detail can be seen from FIGS. 3, 4 and 5.
Figur 3 veranschaulicht zwei Ausführungsformen. Siehe den links dargestellten Bereich A sowie den rechts dargestellten Bereich B. Siehe auch Detail A und Detail B.Figure 3 illustrates two embodiments. See area A on the left and area B on the right. See also Detail A and Detail B.
In den genannten Figuren handelt es sich jeweils um eine Laufschaufel 1.1. Dieser Laufschaufel ist eine Dichteinheit 30 zugeordnet. Die Dichteinheit 30 umfasst ein Dichtelement 30.1.Each of the figures mentioned is a moving blade 1.1. A sealing unit 30 is assigned to this rotor blade. The sealing unit 30 comprises a sealing element 30.1.
Wie man aus Detail A erkennt, ist der Dichtung 30.1 ein Stützelement 30.2 zugeordnet. Das Dichtelement besteht aus elastischem, biegsamem, gummiartigem Material. Es ist im Umfangsbereich der Laufschaufel 1.1 fixiert. Das Stützelement 30.2 ist sowohl an der Laufschaufel 1.1 als auch am Dichtelement 30.1 fixiert. Dabei ist die Fixierung des Dichtelementes 30.1 derart durchgeführt, dass das Dichtelement 30.1 austauschbar ist.As can be seen from detail A, the seal 30.1 is assigned a support element 30.2. The sealing element consists of elastic, pliable, rubber-like material. It is fixed in the peripheral area of the blade 1.1. The Support element 30.2 is fixed both to the rotor blade 1.1 and to the sealing element 30.1. The sealing element 30.1 is fixed in such a way that the sealing element 30.1 is interchangeable.
Bei der Ausführungsform gemäß Detail B ist kein Stützelement vorgesehen. Hier ist das Dichtelement 30.1 direkt auf der Schaufel 1.1 angebracht.In the embodiment according to detail B, no support element is provided. Here, the sealing element 30.1 is attached directly to the blade 1.1.
In den Figuren 4 und 5 sind die Druckseite DS und die Saugseite SS angedeutet. In der Darstellung gemäß Figur 3 strömt das Wasser von oben nach unten. Das Dichtelement 30.1 ist der Strömung entgegengerichtet. Dabei presst dieThe pressure side DS and the suction side SS are indicated in FIGS. 4 and 5. In the illustration according to FIG. 3, the water flows from top to bottom. The sealing element 30.1 is directed against the flow. The presses
Druckdifferenz zwischen der Druckseite und der Saugseite das Dichtelement 30.1 gegen die Gehäusewandung 3 an.Pressure difference between the pressure side and the suction side against the sealing element 30.1 against the housing wall 3.
Die Rotation des Laufrades 1 erzeugt bezüglich des Dichtelementes 30.1 eine Schleppströmung von der Saugseite zur Druckseite hin. Das Dichtelement wird dabei von der Gehäusewandung 3 abgehoben, ähnlich wie bei einem hydrodynamischen Gleitlager. Es entsteht somit ein minimaler Spalt zwischen Gehäusewandung 3 und Dichtelement 30.1. Dieser Spalt ist von Wasser erfüllt. Das Wasser hat gewissermaßen eine „Schmierwirkung". Damit wird ein Verschleiß des Dichtelementes 30.1 vermieden.The rotation of the impeller 1 produces a drag flow with respect to the sealing element 30.1 from the suction side to the pressure side. The sealing element is lifted off the housing wall 3, similar to a hydrodynamic plain bearing. There is thus a minimal gap between the housing wall 3 and the sealing element 30.1. This gap is filled with water. The water has a "lubricating effect" to a certain extent. This prevents wear of the sealing element 30.1.
Bei der Darstellung gemäß Figur 5 sind die Geschwindigkeitsvektoren im Relativsystem zwischen Wandung 3 und Dichteinheit 30 dargestellt.5, the speed vectors in the relative system between wall 3 and sealing unit 30 are shown.
Gemäß einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann - zusätzlich zu der mechanischen Dichteinheit 30, oder für sich alleine - eine hydraulische Dichtung vorgesehen werden. Dabei wird zwischen der Innenfläche der Wandung 3 und dem Außenumfang der Laufschaufeln oder der Leitschaufeln ein Wasservorhang erzeugt. Zu diesem Zwecke werden entweder die Wandung 3 oder die Schaufeln mit Bohrungen versehen, die einen Druckwasseranschluss aufweisen, und derenAccording to an embodiment not shown here, a hydraulic seal can be provided in addition to the mechanical sealing unit 30 or by itself. A water curtain is generated between the inner surface of the wall 3 and the outer circumference of the moving blades or the guide blades. For this purpose, either the wall 3 or the blades are provided with bores which have a pressurized water connection, and their
Mündungen jeweils gegen das andere Element - Wandung oder Schaufel - gerichtet sind, so dass der Spalt zwischen diesen beiden mehr oder minder abgedichtet wird und keine oder nur eine geringe Spaltströmung erfolgen kann. Mouths are each directed towards the other element - wall or blade - so that the gap between these two is more or less is sealed and no or only a small gap flow can take place.

Claims

Patentansprüche claims
1. Axiale Wasserturbine;1. Axial water turbine;
1.1 mit einem Laufrad (1), das eine Nabe sowie Laufschaufeln (1.1) aufweist; 1.2 mit einem Leitrad (4), das Leitschaufeln (4.1) aufweist;1.1 with an impeller (1), which has a hub and blades (1.1); 1.2 with a stator (4) which has guide vanes (4.1);
1.3 mit einem das Laufrad (1) und das Leitrad (4) umgebenden Gehäuse (3);1.3 with a housing (3) surrounding the impeller (1) and the stator (4);
1.4 das Laufrad ist mit einer Turbinenwelle drehfest verbunden; gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:1.4 the impeller is rotatably connected to a turbine shaft; characterized by the following features:
1.5 es ist eine Dichteinheit (30) zum Absperren des Spaltes oder zum Verringern der Weite des Spaltes zwischen der Umfangskante wenigstens einiger der Schaufeln (1.1 , 4.1) und dem Gehäuse (3) vorgesehen.1.5 there is a sealing unit (30) for shutting off the gap or for reducing the width of the gap between the peripheral edge of at least some of the blades (1.1, 4.1) and the housing (3).
2. Axiale Wasserturbine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) eine mechanische Dichtung (30.1, 30.2) ist.2. Axial water turbine according to claim 1, characterized in that the sealing unit (30) is a mechanical seal (30.1, 30.2).
3. Axiale Wasserturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) ein Bestandteil der Schaufeln (1.1 , 4.1) ist.3. Axial water turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing unit (30) is a component of the blades (1.1, 4.1).
4. Axiale Wasserturbine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) ein Bestandteil des Gehäuses (3) ist.4. Axial water turbine according to claim 1 or 2, characterized in that the sealing unit (30) is part of the housing (3).
5. Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (30.1) der Dichteinheit (30) am betreffenden Element - Gehäuse (3) oder Umfangsbereich der Schaufeln (1.1, 4.1) - anliegt.5. Axial water turbine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sealing element (30.1) of the sealing unit (30) on the relevant element - housing (3) or peripheral region of the blades (1.1, 4.1) - is present.
6. Axiale Wasserturbine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Maßnahmen zum Anpressen des Dichtelementes (30.1) an die Gegenfläche vorgesehen sind. 6. Axial water turbine according to claim 5, characterized in that measures for pressing the sealing element (30.1) are provided on the counter surface.
7. Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichteinheit (30) im Sinne einer Veränderung der Spaltweite verstellbar ist.7. Axial water turbine according to one of claims 5 or 6, characterized in that the sealing unit (30) is adjustable in the sense of a change in the gap width.
8. Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erzielen einer hydraulischen Dichtung Maßnahmen getroffen sind, um den Spalt zwischen dem Umfangsbereich wenigstens einiger der Schaufeln (1.1, 4.1) und dem Gehäuse (3) durch einen Vorhang aus einem fließfähigen Medium abzusperren oder teilweise abzusperren.8. Axial water turbine according to one of claims 1 to 7, characterized in that measures are taken to achieve a hydraulic seal to the gap between the peripheral region of at least some of the blades (1.1, 4.1) and the housing (3) through a curtain shut off or partially shut off a flowable medium.
9. Axiale Wasserturbine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines der beiden Elemente Wand (3) oder Schaufel (1.1, 4.1) Bohrungen aufweist, die einen Druckmediumanschluss haben, und deren Mündungen jeweils gegen das andere Element gerichtet sind.9. Axial water turbine according to claim 8, characterized in that one of the two elements wall (3) or blade (1.1, 4.1) has bores which have a pressure medium connection, and the mouths of which are each directed towards the other element.
10. Axiale Wasserturbine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das fließfähige Medium Wasser ist.10. Axial water turbine according to claim 8 or 9, characterized in that the flowable medium is water.
11. Axiale Wasserturbine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Kaplanturbine ist. 11. Axial water turbine according to one of claims 1 to 10, characterized in that it is a Kaplan turbine.
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