NO146786B - HYDRODYNAMIC MACHINE WHEELS - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår et løpehjul for en hydrodynamisk maskin, fortrinnsvis francisturbin eller pumpeturbin, med løpehjulsskovler fast anbragt mellom et løpehjulsnav og en løpehjul-krans, og ledefinner som er anbragt på en navspiss for ved turbindrift å avbøye en vannstrøm på nedstrømsiden av løpehjulsskovlene. The present invention relates to an impeller for a hydrodynamic machine, preferably a Francis turbine or pump turbine, with impeller vanes fixedly arranged between an impeller hub and an impeller rim, and guide fins which are placed on a hub tip in order to deflect a water flow on the downstream side of the impeller vanes during turbine operation.

Et løpehjul for en francisturbin eller pumpeturbin blir vanligvis konstruert for å la turbindriften foregå optimalt i et visst driftstilfelle som er definert ved bestemte verdier av fall-høyde, volumhastighet, omdreiningstall og løpehjulsdiameter. I dette og tilgrensende driftstilfeller fås de høyeste verdier for virkningsgrad, og vannet forlater løpehjulet uten eller med liten rotasjon. I mer avvikende driftstilfeller fås lavere virknings-grader og visse forstyrrelser i form av trykkpulsasjoner, effektsvingninger og høynet lydnivå. Skulle man ønske å gjennomføre turbindrift for langt fra det optimale driftstilfelle, kan dette bli umulig fordi forstyrrelsene blir så sterke at risikoen for skade på turbinmaskineriet blir altfor stor. An impeller for a Francis turbine or pump turbine is usually designed to allow turbine operation to take place optimally in a certain operating case which is defined by specific values of drop height, volume velocity, number of revolutions and impeller diameter. In this and adjacent operating cases, the highest values for efficiency are obtained, and the water leaves the impeller without or with little rotation. In more deviant operating cases, lower efficiency levels and certain disturbances in the form of pressure pulsations, power fluctuations and increased sound levels are obtained. Should one wish to carry out turbine operation too far from the optimal operating case, this may become impossible because the disturbances become so strong that the risk of damage to the turbine machinery becomes far too great.

Den primære årsak til forstyrrelsene er at vannet forlater løpehjulet med en viss rotasjon. Ved delbelastning roterer vannet i samme retning som løpehjulet, og ved overbelastning i motsatt retnin< Er rotasjonen kraftig, danner der seg i sentrum av vannmassen et område med så lavt trykk at der oppstår damputvikling (kavitasjon). Den roterende vannmasse, den såkalte navvirvel, er ikke konsentrisk med løpehjulets rotasjonsakse, men utfører en presesjonsbevegelse omkring denne. The primary cause of the disturbances is that the water leaves the impeller with a certain rotation. With partial load, the water rotates in the same direction as the impeller, and with overload in the opposite direction. If the rotation is strong, an area with such low pressure forms in the center of the water mass that steam develops (cavitation). The rotating mass of water, the so-called hub vortex, is not concentric with the axis of rotation of the impeller, but performs a precessional movement around it.

For å oppnå at turbindriften skal foregå uten forstyrrelser innen et størst mulig effektområde., har man nedlagt meget arbeide i konstruksjonen av løpehjulene, særlig når det gjelder løpeskovlenes utformning. For å minske navvirvelens intensitet har det bl.a. i britisk patentskrift 799 013 vært foreslått å anbringe ledefinner på løpehjulets navspiss. På grunn av den foreslåtte plasering og form av disse ledefinner har man dog ikke kunnet oppnå noen vesentlig forbedring. In order to achieve that the turbine operation should take place without disturbances within the largest possible power range, a lot of work has been done in the construction of the impellers, especially when it comes to the design of the impeller blades. In order to reduce the intensity of the hub vortex, it has, among other things, in British patent document 799 013 it has been proposed to place guide fins on the hub tip of the impeller. However, due to the proposed placement and shape of these guide fins, it has not been possible to achieve any significant improvement.

For å skaffe kontroll med strømningsforholdene etter løpe-hjulet, slik at rotasjonen i vannstrømmen blir undertrykket, har der bl.a. i US-PS 1 896 644 vært foreslått en ren totrinns-utførelse av løpehjulet. Dette er forsynt med to komplette skovlkranser på samme aksel, innbyrdes adskilt av et ringformet kammer som er konsentrisk med aksen. Det foreslåtte løpehjul er imidlertid bare utført for å ta hensyn til rotasjonen ved deilast og overturtall, mens deri foreliggende oppfinnelse tar sikte på forholdene ved overbelastning, altså last som overstiger den hvor den beste virkningsgrad oppnås. In order to obtain control over the flow conditions after the impeller, so that the rotation in the water flow is suppressed, there have been, among other things, in US-PS 1 896 644 a purely two-stage design of the impeller has been proposed. This is provided with two complete vane rims on the same shaft, mutually separated by an annular chamber which is concentric with the shaft. However, the proposed impeller is only designed to take into account the rotation at partial load and overspeed, while the present invention aims at the conditions of overload, i.e. load that exceeds that at which the best efficiency is achieved.

Den foreliggende oppfinnelse gjelder et løpehjul som kan The present invention relates to an impeller which can

være bestemt for en forøvrig konvensjonell Francis- eller pumpeturbin, og hvis navspiss er forsynt med en flerhet av ledefinner av den spesielle utformning som er angitt i patentkravene. Navspissen ved disse lederfinner er ikke i første rekke bestemt til å utgjøre en normal komponent av et løpehjul som er konstruert for å arbeide fritt for forstyrrelser og effektivt ved de optimale driftsbetingelser som har vært definert ved fastlagte verdier av fallhøyde, strømningsmengde, omdreiningstall og løpehjulsdiameter, men er tenkt å utgjøre et separat konstruksjonselement som danner en kompletterende komponent til et konvensjonelt løpehjul i slike tilfeller hvor der opptrer forstyrrelser som ikke kan aksepteres, f.eks. trykkpulsasjoner og effektsvingninger, innen turbinens øvre lastområde. be intended for an otherwise conventional Francis or pump turbine, and whose hub tip is provided with a plurality of guide fins of the special design specified in the patent claims. The hub tip at these guide fins is not primarily intended to form a normal component of an impeller which is designed to work free of interference and efficiently at the optimum operating conditions which have been defined by fixed values of drop height, flow rate, number of revolutions and impeller diameter, but is intended to form a separate construction element that forms a complementary component to a conventional impeller in such cases where disturbances occur that cannot be accepted, e.g. pressure pulsations and power fluctuations, within the turbine's upper load range.

Løpehjulet ifølge oppfinnelsen har en navspiss av noe så The running wheel according to the invention has a hub tip of something like this

nær konvensjonell form, forsynt med trekantede ledefinner. Hver ledefinne er plassert med sin øvre spiss nær løpehjulskovlenes utløpskant og med en nedre kant som strekker seg stort sett radialt i forhold til turbinaksen. Den nevnte radiale utstrekning av ledefinnene inn i det ringformede strømningsrom etter løpe-hjulskovlene utgjør bare en mindre del av dettes radiale dimensjon. Ledefinnene har slik avpasset krumning at den sentrale del av strømmen på nedstrømsiden av navspissen er fri for rotasjon ved en turbinlast som overstiger turbinens optimale driftsbelastning. Ved optimale driftsforhold, resp. den last turbinen er beregnet close to conventional shape, provided with triangular guide fins. Each guide fin is positioned with its upper tip close to the trailing edge of the impeller vanes and with a lower edge extending largely radially in relation to the turbine axis. The aforementioned radial extent of the guide fins into the annular flow space after the impeller vanes constitutes only a minor part of its radial dimension. The guide fins have such an adapted curvature that the central part of the flow on the downstream side of the hub tip is free from rotation at a turbine load that exceeds the turbine's optimum operating load. In optimal operating conditions, resp. the load turbine is calculated

for, får den sentrale del av strømmen på navspissens nedstrømside bare en så ubetydelig rotasjon i samme retning som løpehjulet at der ikke oppstår forstyrrelser i praksis. for, the central part of the flow on the downstream side of the hub tip only gets such an insignificant rotation in the same direction as the impeller that no disturbances occur in practice.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er å utvide turbinen forstyrrelsesfrie driftsområde og forskyve dette mot et høyere effektområde. Dette oppnås ved en hensiktsmessig plasering og form av ledefinnene i samsvar med patentkravene. The purpose of the present invention is to expand the turbine's disturbance-free operating range and shift this towards a higher power range. This is achieved by an appropriate placement and shape of the guide fins in accordance with the patent requirements.

Oppfinnelsen vil bli belyst nærmere under henvisning til tegningen. Fig. 1 viser et løpehjul ifølge oppfinnelsen, delvis i aksialsnitt. The invention will be explained in more detail with reference to the drawing. Fig. 1 shows an impeller according to the invention, partly in axial section.

Fig. 2 viser løpehjulets navspiss sett nedenfra. Fig. 2 shows the hub tip of the impeller seen from below.

Fig. 3 viser i større målestokk en ledefinne utfoldet i plan. Fig. 4 er et oppriss av navspissen med ledefinner i en alter-nativ utførelse. Fig. 5 viser i aksialsnitt en utførelse med ledefinner som kan skyves ut fra navspissen. Fig. 1 viser et løpehjul for en francisturbin med løpeskovler I fast anbragt mellom et løpehjulsnav 3 og en løpehjulkrans 5. Navet 1 er forsynt med en navspiss med påsveisede ledefinner 9. Disse ledefinner 9 er helt skilt fra hverandre, som det også fremgår av fig. 2, og har stort sett trekantet form, som også vist utfoldet i plan på fig. 3. Ledefinnene 9 er krummet slik at deres kantparti II nærmest løpeskovlene 1 uten nevneverdig innfallsvinkel slutter seg til retningen av vannstrømmen fra løpehjulskovlene 1 og de så suksessivt avbøyer denne strøm i aksial retning. Krumningen er beregnet slik at ledefinnene 9 ved en viss overbelastning av turbinei gir en vannstrøm hvis sentrale del på nedstrømsiden av navspissen 7 er praktisk talt uten rotasjon, og i det driftstilfelle som turbinen optimalt er konstruert for, gir en vannstrøm hvis sentrale del på nedstrømsiden av navspissen 7 bare får en så liten rotasjon i hjulets dreieretning at der praktisk talt ikke opptrer forstyrrelser. Fig. 3 shows on a larger scale a guide fin unfolded in plan. Fig. 4 is an elevation of the hub tip with guide fins in an alternative design. Fig. 5 shows in axial section an embodiment with guide fins that can be pushed out from the hub tip. Fig. 1 shows an impeller for a Francis turbine with impeller vanes I fixedly arranged between an impeller hub 3 and an impeller rim 5. The hub 1 is provided with a hub tip with welded-on guide fins 9. These guide fins 9 are completely separated from each other, as is also evident from fig. . 2, and has a largely triangular shape, which is also shown unfolded in plan in fig. 3. The guide fins 9 are curved so that their edge part II closest to the impeller vanes 1 joins the direction of the water flow from the impeller vanes 1 without appreciable angle of incidence and they then successively deflect this flow in an axial direction. The curvature is calculated so that the guide fins 9 in case of a certain overload of the turbinei produce a water flow whose central part on the downstream side of the hub tip 7 is practically without rotation, and in the operating case for which the turbine is optimally designed, produces a water flow whose central part on the downstream side of the hub tip 7 only gets such a small rotation in the direction of rotation of the wheel that practically no disturbances occur.

Ved visse løpehjul kan det være gunstig at navspissen 7, som vist på fig. 4, setter seg sammen av en øvre konus 13 og en nedre konus 15 som slutter seg til den øvre og har større toppvinkel enn denne.' Ledefinnene 9 blir da plasert slik på mantelflaten av den nedre konus 15 at deres ytterkanter 17 ligger i den tenkte forlengelse av mantelflaten av den øvre konus 13 nedover. With certain impellers, it may be advantageous that the hub tip 7, as shown in fig. 4, is composed of an upper cone 13 and a lower cone 15 which joins the upper one and has a greater apex angle than this.' The guide fins 9 are then placed on the mantle surface of the lower cone 15 so that their outer edges 17 lie in the imaginary extension of the mantle surface of the upper cone 13 downwards.

Claims (3)

Fig, 5 viser en utførelse av en navspiss 7 i samsvar med oppfinnelsen, hvor ledefinnene 9 kan anbringes i forskjellige stillinger mellom en fullt utragende virksom stilling og en inntrukken uvirksom stilling. Denne utførelse er særlig bestemt for pumpeturbiner,Fig, 5 shows an embodiment of a hub tip 7 in accordance with the invention, where the guide fins 9 can be placed in different positions between a fully extended active position and a retracted inactive position. This design is particularly intended for pump turbines, hvor ledefinnene 9, som er utformet ut fra hensynet til de strøm-ningsforhold som hersker ved turbindrift, bør være uvirksomme ved pumpedrift for at forstyrrelse skal unngås. Ledefinnene 9 er festet på en holder 19 utformet som et stempel som er belastet med en fjær 21 og har føring i en del av navspissen 7, utformet som hydraulisk sylinder 23. Ledefinneholderen 19 er innstillbar aksialt mellom to endestillinger, og navspissen 7 er forsynt med slisser 25 som ledefinnene 9 kan bringes til å rage ut igjennom. Når ledefinneholderen 19 befinner seg i sin ene endestilling, nærmere bestemt den øvre som vist på fig. 5, når ledefinnene 9 ikke utenfor navspissen 7, mens de når holderen 19 befinner seg i sin annen endestilling, rager maksimalt ut fra navspissens mantelflate. Ledefinneholderen 19 kan også bringes til å innta stillinger mellom endestillingene, slik at ledefinnene bare delvis rager ut fra navspissen 7. 1. Løpehjul for hydrodynamisk maskin, fortrinnsvis francisturbin eller pumpeturbin, og omfattende et løpehjulsnav (3) og en løpehjulskrans (5) som sitter koaksialt med og i avstand utenfor løpehjulsnavet (3), for mellom seg å inngrense en hovedsakelig radialt orientert første del av et ringformet strømnings-rom, en navspiss (7) som er forsynt med en flerhet av ledefinner" (9) og slutter seg til løpehjulsnavet (3), og som strekker seg koaksialt med dette innenfor løpehjulskransen (5) og utgjør en kontinuerlig forlengelse av løpehjulsnavet (3), for sammen med løpehjulskransen (5) å begrense en hovedsakelig aksialt orien-tert del av det ringformede strømningsrom, samt en flerhet av innbyrdes adskilte faste løpehjulskovler (1), anordnet i strømnings-rommet mellom løpehjulsnavet (3) og løpehjulkransen (5), karakterisert vedat ledefinnene (9) er festet til navspissen (7) og strekker seg hovedsakelig radialt ut fra denne, where the guide fins 9, which are designed with regard to the flow conditions that prevail during turbine operation, should be inactive during pump operation in order to avoid disturbance. The guide fins 9 are attached to a holder 19 designed as a piston which is loaded with a spring 21 and has a guide in part of the hub tip 7, designed as a hydraulic cylinder 23. The guide fin holder 19 can be adjusted axially between two end positions, and the hub tip 7 is provided with slots 25 through which the guide fins 9 can be made to protrude. When the guide fin holder 19 is in its one end position, more specifically the upper one as shown in fig. 5, when the guide fins 9 are not outside the hub tip 7, while when the holder 19 is in its other end position, they protrude maximally from the hub tip's mantle surface. The guide fin holder 19 can also be brought into positions between the end positions, so that the guide fins only partially protrude from the hub tip 7. 1. Impeller for hydrodynamic machine, preferably francis turbine or pump turbine, and comprising an impeller hub (3) and an impeller ring (5) which sits coaxially with and at a distance outside the impeller hub (3), so as to define between them a mainly radially oriented first part of an annular flow space, a hub tip (7) which is provided with a plurality of guide fins" (9) and joins the impeller hub (3), and which extends coaxially with this inside the impeller rim (5) and constitutes a continuous extension of the impeller hub (3), in order to limit, together with the impeller rim (5), a mainly axially oriented part of the annular flow space, and a plurality of mutually separated fixed impeller vanes (1), arranged in the flow space between the impeller hub (3) and the impeller rim (5), characterized in that the guide fins (9) are fixed one to the hub tip (7) and extends mainly radially outward from this, at ledefinnene (9) overalt i strømningsrommet har en radial utstrekning i dette betydelig mindre enn den motsvarende radiale utstrekning av strømningsrommet, slik at en strøm gjennom strømningsrommet ikke blir betydelig hemmet,that the guide fins (9) everywhere in the flow space have a radial extent in this significantly smaller than the corresponding radial extent of the flow space, so that a flow through the flow space is not significantly inhibited, at ledefinnene (9) er helt skilt fra hverandre og jevnt fordelt langs navspissens (7) periferi samt hver har hovedsakelig triangulær form,that the guide fins (9) are completely separated from each other and evenly distributed along the periphery of the hub tip (7) and each has a mainly triangular shape, at hver ledefinnes (9) øvre, spisse del ligger i umiddelbar nærhet av løpehjulskransen (1), og ledefinnens (9) nedre del, fotpartiet, ligger i avstand fra løpehjulskovlene (1),that the upper, pointed part of each guide fin (9) is in the immediate vicinity of the impeller rim (1), and the lower part of the guide fin (9), the foot part, is at a distance from the impeller vanes (1), at hver ledefinnes (9) øvre,spisse del er rettet hovedsakelig parallelt med en strøm som forlater løpehjulskovlene (1) ,that the upper, pointed part of each guide fin (9) is directed mainly parallel to a flow leaving the impeller vanes (1), og at hver ledefinne (9) er bøyet for suksessivt å avbøye denne strøm slik at den forlater løpehjulet hovedsakelig i dettes aksialretning uten noen rotasjon. and that each guide fin (9) is bent to successively deflect this flow so that it leaves the impeller mainly in its axial direction without any rotation. 2. Løpehjul som angitt i krav 1, karakterisert ved at navspissen (7) på i og for seg kjent måte utgjøres av en øvre konus (13) og en nedre konus (15) som slutter seg til den øvre og har større konusvinkel enn den øvre, og at ledefinnene (9) er anbragt slik på mantelflaten av den nedre konus (15) at deres ytterkanter (17) ligger i en tenkt nedad-gående forlengelse av mantelflaten på den øvre konus (13). 2. Impeller as stated in claim 1, characterized in that the hub tip (7) in a manner known per se consists of an upper cone (13) and a lower cone (15) which joins the upper one and has a larger cone angle than the upper, and that the guide fins (9) are placed on the mantle surface of the lower cone (15) in such a way that their outer edges (17) lie in an imaginary downward extension of the mantle surface of the upper cone (13). 3. Løpehjul som angitt i krav 1, karakterisert ved at ledefinnene (9) er anbragt på en ledefinneholder (19) som er aksialt bevegelig i navspissen (7), og at de kan bringes til å rage utenfor navspissens (7) mantel gjennom slisser (25) i denne.3. Impeller as specified in claim 1, characterized in that the guide fins (9) are placed on a guide fin holder (19) which is axially movable in the hub tip (7), and that they can be made to project outside the hub tip's (7) mantle through slots (25) in this.