DE1628116B1

DE1628116B1 - Impeller for a pump turbine

Info

Publication number: DE1628116B1
Application number: DE1967V0034701
Authority: DE
Inventors: Ivo Dr-Ing Vuskovic
Original assignee: Voestalpine AG
Current assignee: Voestalpine AG
Priority date: 1966-12-15
Filing date: 1967-10-26
Publication date: 1970-11-26
Also published as: GB1193329A; AT279517B; CH454769A; SE315856B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Laufrad für durch das obere Ende der verstellbaren Schaufelteile,The invention relates to an impeller for through the upper end of the adjustable blade parts,

eine Pumpenturbine mit verstellbaren Laufrad- so daß letztere wie Klappen ausgebildet sind. Diesea pump turbine with adjustable impeller so that the latter are designed like flaps. These

schaufeln. Turbine eignet sich aber nicht für den Pump-shovel. However, the turbine is not suitable for pumping

Bei Förder- bzw. Fallhöhen von über 100 m wer- betrieb, da die Laufradschaufehl am Laufradeintritt den bisher Pumpenturbinen in Francisbauart ver- 5 mit der Umfangsgeschwindigkeit einen Winkel von wendet, also Kreiselmaschinen mit festen Laufrad- etwa 90° einschließen. Der Zweck der verstellbaren schaufeln. Derartige Pumpenturbinen benötigen im Schaufelenden liegt auch nicht darin, eine Anallgemeinen bei gegebenen Leistungswerten für passung bei Strömungsumkehr zu erzielen, sondern optimalen Pumpbetrieb eine höhere Drehzahl als im eine günstige Regulierungsmöglichkeit bei wechseln-Turbinenbetrieb. Da bei beiden Betriebsarten selbst- io den Wassermengen zu erreichen,
verständlich aber dieselbe elektrische Maschine ein- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein mal als Motor und zum anderenmal als Generator Laufrad für eine Pumpenturbine zu schaffen, das zum Einsatz kommt, ergibt sich bei üblicher Bauart für große Förder- bzw. Fallhöhen geeignet ist, dabei für beide Betriebsarten auch dieselbe Drehzahl. Dar- aber einen verbesserten Wirkungsgrad bzw. eine aus folgert für das Pumpen einerseits und für den 15 höhere Leistung aufweist, das also die Vorteile des Turbinenbetrieb anderseits je ein vom Optimum ab- herkömmlichen Francislaufrades und die des halbweichender verschlechterter Kompromißwirkungs- axialen Deriaz-Rades vereint.At delivery or drop heights of more than 100 m, operation is carried out, since the impeller blade at the impeller inlet turns the pump turbines of Francis design up to now at an angle of about 90 ° with the circumferential speed, ie centrifugal machines with fixed impellers. The purpose of the adjustable shovels. Such pump turbines do not need in the blade end to achieve a general for given performance values for flow reversal, but optimal pump operation a higher speed than in a favorable regulation possibility with alternating turbine operation. Since in both operating modes the water volumes can be achieved
understandable but the same electrical machine. the same speed for both operating modes. From this, however, an improved efficiency or a conclusion for the pumping on the one hand and for the 15 has higher power, which thus combines the advantages of turbine operation on the other hand a conventional Francis impeller and those of the half-softening deteriorated compromise-effect axial Deriaz impeller .

grad. Da das Laufrad einer solchen Pumpenturbine Ausgehend von dem Laufrad einer Pumpenturbine, normalerweise für den Pumpenbetrieb ausgelegt dessen Laufradschaufeln verstellbar sind, zeichnet wird, nimmt derPumpenwirkungsgrad den optimalen 20 sich die Erfindung dadurch aus, daß in an sich Wert an. Im Turbinenbetrieb wird sich dann bei bekannter Weise die nach Francisbauart angeorddemselben geodätischen Gefälle ein etwas niedrigerer _neten Laufradschaufeln aus einem leitradseitigen Wirkungsgrad einstellen, und zwar dadurch, daß festen Schaufelteil und einem an diesen anschließenam Eintritt in das Laufrad ein Stoßverlust entsteht, den, nach beiden Seiten verschwenkbaren Schaufelweil der Strömungswinkel der Relativgeschwindigkeit 25 teil bestehen, daß die etwa durch die Mitte der wesentlich kleiner ist als der Schaufelwinkel, und Länge des Querschnittes der schwenkbaren Schaufeldaß am Laufradaustritt ein Rotationsenergieverlust teile verlaufenden Schwenkachsen mit der Laufradzu verzeichnen ist, der durch die negative Umfangs- achse einen Winkel von 30 bis 60° einschließen und komponente der absoluten Strömungsgeschwindig- daß jeweils der schwenkbare Schaufelteil aus seiner keit verursacht wird. Zufolge der Unverstellbarkeit 30 mit dem festen Schaufelteil fluchtenden Grundder Laufradschaufehl und damit der Unmöglichkeit stellung um höchstens 10° verschwenkbar ist. Durch einer Anpassung an die beiden verschiedenen Be- das Verschwenken der bei Turbinenbetrieb am Lauftriebsarten können also bei einer Pumpenturbine radaustritt liegenden Schaufelteile um einen geringen der Francisbauart gute Wirkungsgrade bestenfalls in Winkel von beispielsweise etwa 7° wird erreicht, den Optimalbereichen erreicht werden, die aber auch ₃₅ daß sich beim Ausströmen aus dem Laufrad im nur einen reduzierten Kompromißwert darstellen, Turbinenbetrieb keine verlustbringende Rotationswogegen die Teillastwirkungsgrade ungünstig sind. strömung mehr bildet, so daß trotz der im Turbinen-Die zwischen dem inneren und äußeren Laufrad- betrieb bedeutend größeren Durchflußmenge die kranz eingespannten festen Laufradschaufehl ergeben bisher bei Francisturbinen auftretenden Rotationsaber den Vorteil, höheren Belastungen standzuhal- ₄₀ energieverluste vermieden werden und sich optimale ten, so daß eben Pumpenturbinen in Francisbauart Werte ergeben. Das Verschwenken der Schäüfelteüe für große Fall- bzw. Förderhöhen geeignet sind. hat aber beim Turbinenbetrieb auch eine größeregrad. Since the impeller of such a pump turbine is based on the impeller of a pump turbine, normally designed for pump operation, the impeller blades of which are adjustable, the pump efficiency assumes the optimal 20, the invention is characterized in that in itself value. In turbine operation, the same geodetic gradient arranged according to Francis design will then _{set a somewhat lower ne} th impeller blades from a stator-side efficiency in a known manner, in that the fixed blade part and an adjoining entry into the impeller results in a shock loss, which, after both Pages pivotable blade because the flow angle of the relative speed 25 partly exist that the pivot axes with the impeller running approximately through the middle of the is much smaller than the blade angle, and length of the cross section of the pivotable blade at the impeller outlet, a loss of rotational energy is part of the pivot axes with the impeller, which is recorded by the negative circumference - The axis enclose an angle of 30 to 60 ° and the component of the absolute flow velocity is that the pivoting blade part is caused by its ability. As a result of the non-adjustability 30 with the base, which is aligned with the fixed blade part, the impeller blade can be pivoted by a maximum of 10 ° and thus the impossibility of the position. By adapting to the two different angles, the pivoting of the blade parts located at the wheel outlet in a pump turbine can be achieved at an angle of about 7 °, for example, the optimum ranges can be achieved in a pump turbine ₃₅ that, when flowing out of the impeller, there is only a reduced compromise value, turbine operation no loss-making rotation, whereas the partial load efficiencies are unfavorable. forming flow more, so that in spite of the turbine operation between the inner and outer impeller significantly greater flow yield the coronary clamped fixed wheel shovels in so far encountered in Francis turbines rotating But standzuhal- the advantage of higher loads ₄₀ energy losses are avoided and optimum th, so that pump turbines of the Francis type produce values. The swiveling of the Schäüfelteüe are suitable for large falling or conveying heights. but also has a larger one in turbine operation

Es sind auch schon halbaxiale Pumpenturbinen, Umfangskomponente sowie eine größere Meridiandie sogenannten Deriaz- oder Diagonalturbinen be- komponente der Absolutgeschwindigkeit der Strökannt, deren Laufradschaufeln und meist auch Leit- 45 mung am Laufradeintritt zur Folge, was wiederum radschaufeln verstellbar sind. Diese doppelte Regu- _ei_nen größeren Neigungswinkel der Relativgeschwinlierbarkeit ermöglicht eine gute Anpassung an die digkeit mit sich bringt. Die Winkeldifferenz zwischen beiden Betriebsarten. Besonders wichtig ist dabei die dem Schaufelwinkel und dem Strömungswinkel ist Laufradregulierbarkeit, weil durch sie die im Tür- also kleiner als bei den Francisturbinen, so daß auch binenbetrieb sonst auftretende schädliche Rotations- 50 die Eintrittsstoßverluste beim Turbinenbetrieb verströmung am Laufradaustritt verkleinert, damit die ringert werden. Bei dem Verschwenken bildet sich maximale Turbinenleistung vergrößert wird und die zwischen dem festen und dem schwenkbaren Lauf-Pumpenturbine in beiden Strömungsrichtungen mit schaufelteil ein kleiner Spalt, der im hydraulischen optimalen Betriebsverhältnissen arbeitet. Solche Sinne als Korrektor der Grenzschichtströmung auf halbaxialen Pumpenturbinen sind aber nur für ₅₅ der konkaven Schaufelseite wirkt. Das Wasser dringt ein beschränktes geodätisches Gefälle brauchbar, nämlich durch den Spalt mit großer kinetischer weil die Laufradschaufehl jeweils nur an einem in Energie von der konvexen Druckseite in die konder Laufradnabe gelagerten Zapfen befestigt sind, kave Saugseite ein und speist dort die Grenzschicht dessen mechanische Festigkeit für hohe Belastungen mit frischer Energie, wodurch die Bildung von Totnicht ausreicht und weil infolge hoher Schaufel- 60 wasser und Wirbeln verhindert wird, so daß sich belastung erhöhte Kavitationsgefahr besteht. Schließ- auch die Strömungsverluste im Laufrad verkleinern, lieh ist auch schon eine Turbine vorgeschlagen wor- Da nur ein Teil der Laufradschaufeln verschwenkt den, deren nach Francisbauart angeordneten Lauf- _wi_rd und diese verschwenkbaren Teile geringeren radschaufeln aus einem leitradseitigen festen und Belastungen ausgesetzt sind, können wesentlich einem an diesen anschließenden nach beiden Seiten 65 größere Förder- bzw. Fallhöhen als bei den bisverschwenkbaren Teil bestehen. Die Schwenkachsen herigen halbaxialen Pumpenturbinen gewählt werder verstellbaren Schaufelteile liegen dabei in einer den. Dank der Verschwenkmöglichkeit der Schaufel-Normalebene zur Laufradachse und verlaufen jeweils teile können Pumpenturbinen mit dem Lauf-There are also semi-axial pump turbines, circumferential components and a larger meridian, the so-called Deriaz or diagonal turbines, as a component of the absolute speed of the flow, their impeller blades and mostly also guide 45 at the impeller inlet, which in turn are adjustable blades. This dual regulatory _ei _nen larger angle of inclination of Relativgeschwinlierbarkeit allows a good adaptation to the speed brings. The angle difference between the two operating modes. It is particularly important that the blade angle and the flow angle can be regulated by the impeller, because it reduces the damaging rotational flow at the impeller outlet that otherwise occurs in the door, i.e. smaller than in the Francis turbines, so that even when the turbine is in operation, the inlet shock losses during turbine operation are reduced so that they are reduced . When pivoting, the maximum turbine power is increased and the blade part between the fixed and the pivotable running pump turbine in both directions of flow forms a small gap, which works in optimal hydraulic operating conditions. Such sense as a proofreader of the boundary layer flow on semiaxial pump turbines but only works for ₅₅ of the concave blade side. The water penetrates a limited geodetic gradient usable, namely through the gap with a large kinetic because the impeller blades are only attached to a pin supported in energy from the convex pressure side in the special impeller hub, kave suction side and feeds the boundary layer for its mechanical strength high loads with fresh energy, as a result of which the formation of dead is not sufficient and because water and eddies are prevented as a result of the high levels of shovel water, so that the load increases the risk of cavitation. Closing reduce the flow losses in the impeller, borrowed is already a turbine proposed WOR Since only a portion of the impeller blades pivoted to, which are arranged according to Francis type running wheel blades lower _w i _r d and these pivotable parts exposed from a leitradseitigen solid and strains are, there can be a substantially higher conveying or falling heights than in the case of the part that can be pivoted up to this point on both sides 65. The pivot axes of herigen semi-axial pump turbines are selected and the adjustable blade parts are located in one of the. Thanks to the possibility of pivoting the normal plane of the blades to the impeller axis and if parts run, pump turbines with the impeller

rad nach der Erfindung bei größerem Gefälle mit Vollast und unter optimalen Betriebsverhältnissen in beiden Strömungsrichtungen gefahren werden, wobei sowohl im Pump- als auch im Turbinenbetrieb mit der gleichen maximalen Leistung gearbeitet wird und dadurch die volle Leistung der elektrischen Maschine ausgenützt werden kann. Es ist möglich, die mit dem festen Schaufelteil fluchtende Grundstellung der verschwenkbaren Schaufelteile für den Pumpbetrieb auszulegen und die Ver-Schwenkung zur konvexen Schaufelseite hin vorzunehmen. Es kann aber auch nach beiden Seiten verschwenkt werden, so daß beispielsweise die verstellbaren Schaufelteile für den Nominalpumpbetrieb um etwa 3,5° zur konkaven Schaufelseite hin verdreht sind und dann beim Turbinenbetrieb über die Grundstellung hinaus gegen die konvexe Schaufelseite auf den gleichen Winkel eingestellt werden. Sofern man die Vorteile der teilweisen Laufschaufelverschwenkung auch für den Teillastbetrieb ausnützen will, was sich sowohl auf die Kavitationserscheinung als auch auf den Wirkungsgradverlauf positiv auswirkt, kann dies durch ein weiteres Verschwenken der verstellbaren Schaufelteile bis zu einem Winkel von 10° in beiden Richtungen erfolgen.wheel according to the invention with a steep gradient Can be operated at full load and under optimal operating conditions in both directions of flow, working with the same maximum power in both pump and turbine mode and thereby the full power of the electrical machine can be used. It it is possible for the pivotable blade parts to have the basic position aligned with the fixed blade part designed for pumping operation and pivoting towards the convex blade side. But it can also be pivoted to both sides, so that, for example, the adjustable Blade parts for nominal pumping operation rotated by about 3.5 ° towards the concave blade side and then when the turbine is in operation beyond the basic position against the convex blade side can be adjusted to the same angle. Provided that you take advantage of the partial blade pivoting also wants to use for partial load operation, which affects both the cavitation phenomenon and the efficiency curve has a positive effect, this can be done by further pivoting the adjustable blade parts up to at an angle of 10 ° in both directions.

Die verschwenkbaren Schaufelteile können mit Hilfe eines in der Nabe eingebauten, vorzugsweise hydraulischen Servomechanismus in an sich bekannter Weise je nach Bedarf nach der einen oder anderen Seite verschwenkt werden. Ferner ist es möglich, die mit dem erfindungsgemäßen Laufrad ausgestattete Pumpenturbine mit verstellbaren oder festen Leitschaufeln auszustatten. Bei festen Leitschaufeln kann auch ohne automatische Regulierung der verschwenkbaren Laufradschaufelteile gegebenenfalls mit einer Asynchronmaschine gearbeitet werden, sofern nur das elektrische Netz genügend stark ist. Eine derartige Pumpenturbine muß lediglich die Möglichkeit aufweisen, die verschwenkbaren Schaufelteile in die maßgeblichen Stellungen hydraulisch von Hand aus verschwenken zu können. Um dabei ein Durchgehen des Laufrades 'im Falle einer plötzlichen Entlastung oder eines Stromausfalles zu verhindern, braucht nur ein Drehzahlregler vorgesehen zu sein, der bei Überschreitung einer bestimmten Grenzdrehzahl die verschwenkbaren Schaufelteile in die Schließstellung verschwenkt bzw. auf einen üblichen, das Schließen der Schaufeln herbeiführenden Schnellschluß-Mechanismus einwirkt.The pivotable blade parts can with the help of a built in the hub, preferably hydraulic servomechanism in a manner known per se, depending on the needs of one or the other be pivoted on the other side. It is also possible with the impeller according to the invention equipped pump turbine with adjustable or fixed guide vanes. With fixed guide vanes can also be used without automatic regulation of the pivoting impeller blade parts work with an asynchronous machine, provided that the electrical network is sufficient is strong. Such a pump turbine only has to have the option of pivoting To be able to pivot blade parts hydraulically by hand into the relevant positions. Around thereby allowing the impeller to run through in the event of sudden relief or a power failure prevent, only a speed controller needs to be provided, which is triggered when a certain Limit speed swivels the pivotable blade parts into the closed position or on acts a conventional, the closing of the blades bringing about quick-action closing mechanism.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es zeigtThe subject matter of the invention is shown in the drawing, for example. It shows

F i g. 1 einen Teil einer Pumpenturbine im Axialschnitt undF i g. 1 a part of a pump turbine in axial section and

F i g. 2 eine Abwicklung eines nach einem Kegelmantel geführten Schnittes durch das Laufrad.F i g. 2 shows a development of a cut through the impeller following a conical surface.

Die Pumpenturbine besitzt verstellbare Leitschaufeln 1. Das Laufrad weist einen zweiteiligen inneren Laufradkranz 2 und einen äußeren Laufradkranz 3 auf, zwischen welchen Laufradkränzen die Laufradschaufeln angeordnet sind. Diese bestehen jeweils aus einem leitradseitigen festen Teil 4 und einem an diesen anschließenden verschwenkbaren Teil 5. Die Schwenkachsen 6 der verschwenkbaren Teile 5 sind zur Laufradachse 7 unter einem Winkel von 45° geneigt, wobei die Achse 6 etwa durch die Mitte der Länge des Querschnittes des Schaufelteiles 5 verläuft. Die Teile 5 können, wie die F i g. 2 erkennen läßt, aus ihrer in vollen Linien dargestellten Grundstellung nach beiden Seiten um einen Winkel von höchstens 10° verschwenkt werden, wobei die Schwenkstellungen zur konvexen Seite hin für den Turbinenbetrieb und jene zur konkaven Seite hin für den Pumpbetrieb bestimmt sind. Außerdem lassen sich die Schaufelteile 5 aber noch in eine Extremstellung S verschwenken, in der sie sich schließend aneinander legen, welche Stellung für das Anfahren im Pumpbetrieb Geltung hat oder auch als Schnellschlußstellung zur Verhinderung des Durchgehens der Turbine dient.The pump turbine has adjustable guide vanes 1. The impeller has a two-part inner impeller rim 2 and an outer impeller rim 3, between which impeller rims the impeller blades are arranged. These each consist of a leitradseitigen fixed part 4 and an adjoining this pivotable part 5. The pivot axes 6 of the pivotable parts 5 are inclined to the impeller axis 7 at an angle of 45 ° with the axis 6 for instance by the center of the length of the cross-section of the Blade part 5 runs. The parts 5 can, as shown in FIG. 2 reveals, are pivoted from their basic position shown in full lines to both sides by an angle of at most 10 °, the pivot positions on the convex side being intended for turbine operation and those on the concave side for pumping operation. In addition, the blade parts 5 can still be pivoted into an extreme position S , in which they close together, which position is valid for starting in pumping mode or also serves as a quick-closing position to prevent the turbine from running away.

Die verschwenkbaren Schaufelteile 5 sind mit je einem Zapfen 8,9 im inneren und äußeren Laufradkranz 2,3 gelagert. Dabei besitzt der äußere Zapfen 9 ein wassergeschmiertes Lager mit einer Lagerbüchse 10 aus Kunststoff. Um den Spaltreibungsverlust des rotierenden Laufrades in diesem Bereich möglichst gering zu halten, werden die Büchsen 10 nach der Vormontage gemeinsam mit dem Laufradkranz 3 bearbeitet, so daß dort eine kontinuierliche Kegelfläche entsteht.The pivotable blade parts 5 are each with a pin 8, 9 in the inner and outer impeller rim 2,3 stored. The outer pin 9 has a water-lubricated bearing with a Bearing bush 10 made of plastic. To the gap friction loss of the rotating impeller in this To keep the area as small as possible, the sleeves 10 are together with after the pre-assembly machined the impeller rim 3, so that there is a continuous conical surface.

Ebenso ist es möglich, lediglich die festen Schaufelteile zwischen dem inneren und äußeren Laufradkranz anzuordnen und die verschwenkbaren Schaufelteile ausschließlich im inneren Laufradkranz bzw. in der Laufradnabe zu lagern.It is also possible to have only the fixed blade parts between the inner and outer impeller rim to be arranged and the pivotable blade parts exclusively in the inner impeller rim or to be stored in the impeller hub.

Claims

Claim:

Impeller for a pump turbine with adjustable impeller blades, characterized in that that in a manner known per se, the impeller blades arranged according to the Francis design (4, S) consisting of a fixed blade (4) on the stator side and an adjoining, to both sides pivotable blade part (5) exist that the approximately by the Center of the length of the cross section of the pivotable blade parts extending pivot axes (6) enclose an angle of 30 to 60 ° with the impeller axis (7) and that in each case the pivotable shovel part from its basic position aligned with the fixed shovel part is pivotable at most 10 °.

1 sheet of drawings