NO159408B - Hydraulisk turbin. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en hydraulisk turbin av den art som fremgår av innledningen til det etterfølgende selvstendige patentkrav.

I fransk patent nr. 76354 39, publisert med nr. 2370874, er det beskrevet en turbin som roterer med hastighe-

ter i størrelsesorden f. eks. 3000 omdreininger pr. minutt, og den er beregnet på å drive verktøyer, såsom børster og lignen-

de, og er spesielt beregnet for undervannsdrift.

Denne turbin kan drives av en motorpumpe som til-veiebringer vann under et trykk på noen bar med en utgang i størrelsesorden en til flere titalls kubikkmeter pr. time og tillater konstruksjonen av bærbare apparater.

I henhold til det ovennevnte franske patent omfat-

ter turbinen en fordeler som er utført i form av en kanal uten blad som står i forbindelse med skovlbladene til en rotor med fire blad ved hjelp av injektorer som utgjøres av åpninger som er tilformet mellom deler av en sirkulær statorring i et an-

tall som er det dobbelte av antall blader, hvorved vann slippes ut aksielt til sentrum for rotorkammeret.

Etterfølgende forsøk har ført til den erkjennelse at en slik turbin bare virker korrekt og med et tilfredsstilleride utbytte hvis et visst antall betingelser med hensyn til form og dimensjoner opprettholdes.

Fra B. Sjøberg-Silferling og C. Fleiderer er det kjent strømningsmaskiner, og vedrører i motsetning til den foreliggende oppfinnelse sentrifugalpumper. Det å konstruere og beregne en hydraulisk turbin eller hydraulisk motor som må tilveiebringe arbeidende vridningsmoment fra et hydraulisk trykk er temmelig forskjellig fra problemer tilknyttet hydrodynamiske pumper. Fleiderer viser kun rotorskovlene til en sentrifugalpumpe hvor vann entrer pumpekammeret koaksielt til rotoren og fortrenges langs periferien av kammeret ved sentrifugalvirkningen av rotoren Det er ikke anordnet injektorer i en innløpsstatorring som i den foreliggende søknadsgjenstand og det er derfor ikke mulig å få en anvisning på injektorer med respektive helninger ved 135^ og 120^ til tangenten til skovlene, slik at helningsdifferansen mellom strålene alltid er 15°. De samme anførsler kan gjøres vedrørende skrivet av Sjøberg-Silferling. Dette viser et aksielt snitt av en sentrifugalpumpe som representerer en konstruksjon helt forskjellig fra dén foreliggende søknadsgjenstand.

Foreliggende oppfinnelse har således til hensikt å tilveiebringe en turbin av den ovennevnte type som gir et mer til-fredsstillende resultat enn den tidligere kjente.

Dette oppnås ved en turbin som i henhold til oppfinnelsen er kjennetegnet ved at den indre ende av skovlene<r>"<forløper tangentielt til nevnte ytterligere sirkel og den ytre ende av skovlene er i nivå med den sirkulære indre vegg, at innsprøytningsåpningene har en plan endeflate skråstilt ved 45<®> i forhold til den tilsvarende radie av det tilsvarende ringparti og danner med et plan tangentielt til overflaten av en korresponderende skovl en vinkel som varierer ved jevn grad, når rotoren roterer, mellom en første verdi oppnådd når innsprøytningsåpningen begynner å samvirke med nevnte korresponderende skovl, og en andre verdi som oppnås når den korresponderende skovl inntar en posisjon i hvilke et til-støtende blad er ved det punkt av å samvirke med den samme inn-sprøytningsåpning, hvor den største verdi er lik 120^ med en toleranse på - 5^ og den andre verdi er lik 135^ med en toleranse mindre enn - 5<®>.

Ifølge et videre trekk ved oppfinnelsen vil ved denne stilling for et blad dette samvirke med en andre injektor hvis plane endeflate danner en vinkel i det vesentlige lik 120^ med tangentielt til den ytre flate for bladet og forskjellen i skråstilling for de to på hverandre følgende stråler som virker på det samme blad bestandig er i det vesentlige lik 15°.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen er forholdet mellom den ytre radius for buen av sirkelen og den ind-

re radius til statorringen i det vesentlige lik 3-4.

Andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse av et utførelseseksempel som er fremstilt på tegningen, som viser:

fig. 1 et sideriss i snitt i redusert målestokk av

en turbin ifølge en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen,

fig. 2 et snitt langs et plan vinkelrett til rotoraksen, idet rotoren er fjernet,

fig. 3 et skjematisk riss av rotoren, som viser bladene, og

fig. 4 et diagram som skal vise plasseringen av bladene og injeksjonsringen.

Statoren til turbinen som er vist på tegningen er sammensatt av et hovedlegeme 1 som er lukket av en plate 2 som er festet til legemet 1 langs omkretsen ved hjelp av bolter 20.

Som det fremgår av fig. 2 bestemmer legemet 1 en passasje eller kanal 3 som er lukket av platen 2 og ved 30 er utstyrt med en vanninnløpsåpning, samt et flatt sylindrisk kammer 4 som opptar rotoren 5 hvis aksel 6 er ført aksielt gjennom en sirkulær åpning 7 som er utformet i basisen til kammeret 4 og opplagret i denne åpning. Den motsatte flate av rotoren omfatter en hul aksel 8 som er opplagret i et lager 9 som er utformet av den sentrale del av platen 2 og er utvendig gjenget. Lageret 9 er innkapslet i en holdering 10 som tjener til sammenkobling av en krummet ledning 11 som er bevegelig i alle retninger og utstyrt med et rør 12.

Den ytre sirkulære vegg til kammeret 4 utgjøres ved den viste foretrukkede utførelse av åtte deler 41 - 48 som er fast forbundet med legemet 1. Platen 2 er festet til legemet 1 ved hjelp av boltene 13 og 20. Disse deler, som hver dekker en vinkel lik 4 5°, er adskilt fra hverandre av mellomrom 410-420-430-440-450-460-470 og 480, som er lukket øverst av platen 2 og utgjør injektorer for vann fra kanalen 3 mot kammeret 4. Hver injektor er avgrenset av en plan flate, såsom 441 på delen 45, (fig. 4) som er skråstilt i 45° i forhold til den tilsvarende radius for rotoren og av en sylindrisk flate 442 som står i forbindelse med de indre og ytre sylindriske flater til en av delene 44. Den utviklede form for kanalen 3 i et plan vinkelrett til rotoraksen har den generelle form av et likebenet trapes hvis hovedbasis svarer til åpningen 30 og hvis minste basis ligger i sonen for injektoren 480. Sidene til dette trapes danner en vinkel på ca. 87° med hovedbasisflaten. I den del som står i forbindelse med det sentrale kammer har kanalen 3 et rektangulært snitt (fig. 1) som omfatter to skråkanter 31, 32 som er skråstilt i en vinkel på 30°.

Rotoren (fig. 1, 3 og 4) er utformet av to skiver 51, 52 med en diameter i det vesentlige lik diameteren for kammeret 4 (en klaring på 1 % mellom diameteren for rotoren og diameteren for kammeret i statoren er fordelaktig), og mellom skivene er det anordnet fire blad 53 - 56, hvorved den nedre skive 52 ikke er utstyrt med noen åpning, mens den øvre skive 51 er utstyrt med basisåpningen til den hule aksel 8. Med andre ord vil vannet som kommer inn gjennom en injektor

1-^ (fig. 4) arbeide i et kammer som er avgrenset på mottaks-siden av to sylindriske deler av veggen til kammeret 4 på statoren og av to blad, og på utløpssiden vil vannet passere mellom endene til de to blad i området ved åpningen til akselen 8 gjennom hvilken det unnviker.

Fig. 4 viser at med rotoren plassert som vist på

denne figur, vil for en rotor med et sentrum 0 og med en radius R på 59,5 mm sentrum 0' for bladet 56 være bestemt med 41,5 mm av den indre radius og 4 5 mm av den ytre radius ved opptegning av en rettvinklet trekant OHO<1> med OH = 19 mm og HO' =5 mm, som svarer til 00' = 19 mm 65.

Mer generelt vil de fire sentre for buene av sirkelen som utgjør bladene fortrinnsvis være plassert på en om-krets rundt sentrum 0 og med en radius 0,33 R. Disse fire sentre er således plassert på to ortogonale akser.

På fig. 4 er det blitt vist en stilling for rotoren hvor en ende A på bladet 56 nettopp kommer på nivå med den nedre kant til en utløpsåpning på en injektor (mer nøyaktig hvor den indre bue til en sirkel av bladet står i forbindelse med statorveggen ved det punkt hvor sistnevnte er gjennomskå-ret av den rette linje OHI^)• Den andre ende B på bladet 56 ligger derved på en radius 0'B, slik at vinkelen ved dentrum BO'-A er i det vesentlige 140°. Fortrinnsvis er den ende som svarer til A en del av en sirkulær flate som er parallell til den motsatte statorflate, idet klaringen mellom disse to flater er ca. 1 % av diameteren til rotoren.

Radien for den sylindriske flate (såsom 442) for hver injektor er fordelaktig 25 mm.

I samsvar med et vesentlig trekk ved innretningen som er beskrevet vil i den stilling for rotoren som er vist på fig. 4 (hvor den indre vegg til den ytre ende på hvert blad står i forbindelse med den indre flate til kammeret i området ved en av de to injektorer) retningene I-/?^ og ^ 2^ 2' ParaHelt til de flate vegger på injektorene (dvs. skråstilt med 45° til 01-^ og 0I2, idet 1-^ og I2 er sentrene for de rektangulære vinduer som er 10 mm lange og 2 mm brede i de beskrevne eksempler gjennom hvilke injektorene åpner inn i kammeret 4) være respektivt skråstilt med 135° og 120° til tangentene til bladene ved T, og T2 (det er halvtangenter T^x-^ og T2X2 rettet fra høyre mot venstre).

For drift av den beskrevne turbin blir vann innført under trykk (fra 0,3 - 10 bar og fortrinnsvis i størrelsesor-den 3-5 bar) gjennom åpningene 30 (til hvilke en motorpumpe^ er forbundet). Vannet går inn i hvert arbeidskammer gjennom to injektorer, respektivt i retningene I^T^ og I2T2" De ^ il-svarende anslagskrefter på hvert blad, i den stilling for rotoren som er vist på fig. 4, har respektive, tangensielle kom-ponenter som er rettet som T^x^ og T2x2. Som et resultat av dette er det en kobling i forhold til sentrum 0, og rotoren drives med rotasjon i urviserretning.

Det skal bemerkes at som et resultat av denne rotasjon vil bladene 56 øyeblikkelig opphøre å motta anslagskraften fra vannet som sendes, ut ved 1^, mens det vil fortsette åsmotta anslagskraften fra 'vannet som innføres ved I2 og begynne å motta anslagskraften fra vannet som innføres ved I, til I2T2 på sin side danner en vinkel på 135 med T^xx" Vec^ det tids-punkt vil bladet 53 begynne å motta strålen som innføres ved 1-^, i det vesentlige i en vinkel på 120° til tangenten. Sagt på en annen måte vil vinklene på 120° og 135° i det vesentlige utgjøre de maksimale og minimale verdier for den variable vinkel som hver av de to vannstråler som innføres på hvert blad danner med tangenten til bladet. Videre vil forskjellen i skråstilling mellom strålene bestandig være lik 15°.

Forsøk som er gjennomført har vist at utbyttet fra turbinen avtar hurtig når maksimumsvinkelen 1^, T^, x^ avviker fra den kritiske verdi på 135°. Hvis nevnte vinkel passerer f. eks. 135° - 14 5°, vil utbyttet reduseres med 3 0 %, mens det reduseres med 40 % hvis vinkelen passerer fra 135° - 125°. Utenfor disse grenser kan det anses at turbinen ikke lenger er egnet til å virke i praksis, idet rotoren kan stoppe rota-sjonen.

Det skal bemerkes at strålen av vann som injiseres ved 1-^ i stillingen som er vist på fig. 4, oppdeler seg selv etter anslag mot bladet i en del som unnviker hurtf'g og direkte mot utløpet av kammeret og en del som finner seg selv så å si presset inn i den smale del av kammeret. Den danner hvirvler og kan bevirke en betydelig dempning av rotoren hvis den ut-gjør en for stor del av strålen, som i det tilfelle når maksi-malvinkelen overskrider vesentlig 135°. I det tilfelle hvor

i motsetning maksimumsvinkelen er vesentlig lavere enn 13 5°, vil på den ene side tangensialkomponenten til anslagskraften fra strålen reduseres, og på den annen side vil forholdet mellom strålen som unnviker direkte mot utløpet øke, slik at utbyttet faller meget hurtig. I praksis vil det holdes på verdien 135°, idet variasjonen må holdes mindre nn 5°.

Forsøk har likeledes vist at verdien for minimums-anslagsvinkelen ved I2 er kritisk (den må ikke variere fra verdien på 120° med mer enn 10 %, og fortrinnsvis 5 %). Når minimumsvinkelen avviker fra den angitte verdi, er det funnet at det samme fenomen opptrer som når maksimumsvinkelen avviker fra den optimale verdi.

Fortrinnsvis skal forskjellen mellom de to ytter-vinkler i det vesentlige ikke avvike mer enn 1° fra den kritiske verdi på 15°.

Vinkelverdiene som er nevnt ovenfor og som utgjør et vesentlig trekk ved oppfinnelsen må være de samme hvis turbinen har andre dimensjoner enn de som er nevnt eller arbeider ved andre trykk.

Konstruksjonen av turbinen er til sist prinsipielt kjennetegnet ved antall blader (som bestandig vil være lik fire), antall og plassering av injektorer (åtte injektorer har en flate slik at hovedretningen for strålen skal være i det vesentlige skråstilt 45° i forhold til den tilsvarende radius for statoren og i det vesentlige plassert 45° fra hverandre), formen som en bue av en sirkel for bladene og de nevnte vinkel-verdier, hvis hovedverdi utgjøres av verdien 135°, som angitt ovenfor.

Likevel vil andre trekk også finnes å være av be-tydning .

Hovedtrekket av disse ekstratrekk er forholdet mellom den ytre radius for bladene og rotorens radius, hvilket forhold er i det vesentlige lik 3-4 ved den konstruksjonstype som er foretrukket og beskrevet ovenfor. Det skal bemerkes at dette forhold vil være avhengig av den større eller mindre åpning for hvert av kamrene i hvilke:.vannet arbeider. Det maksimale utslipp av vann står dessuten i tilknytning til verdien (140') for vinkelen BO'A. Alle dimensjoner som er angitt i eksemplet, som er beskrevet ovenfor, er klart gyldige for en stor tilsvarende gyldighet.

Det skal her bemerkes at forholdet mellom radiene

som er nevnt ovenfor bestemmer i praksis stillingen for sentret O' når man har fastsatt radien for rotoren og verdiene for mak-simum og minimum vinkler 1^, T^, x-^ og Ij, T^, Xj. I realite-ten er det da et spørsmål om føring, av en bue på en sirkel (56, fig. 4) ved gitt radius som passerer gjennom det kjente punkt I3 og skjærer halvlinjene 1^ og I2T2 med kjent plassering ved to respektive punkter T1 og T2, slik at vinklene T^, 0', Tj. danner 30° og at tangenten til denne sirkel skal være vinkelrett til 0^^.

Et annet tilleggstrekk er tilstedeværelsen av en klaring, fortrinnsvis i størrelsesorden 1 % av diameteren til rotoren, mellom sistnevnte og statorkammeret 4. Denne klaring tillater en viss passasje av vann mellom arbeidskamrene, og det fremgår at utbyttet avtar hvis det reduseres eller økes i forhold til de angitte verdier. En klaring, fortrinnsvis lik 3 % av høyden til statorkammeret er likeledes benyttet mellom sistnevnte og de motsatte flater til skivene 51 og 52. Denne klaring, som ikke er vist på fig. 1, tillater en aksiell balansering av rotoren og unngår fastklemming som spesielt kan danne en negativ faktor for utbyttet.

Et annet tilleggstrekk er verdien, fortrinnsvis lik 87°, for vinkelen som er bestemt ovenfor for passasjen eller kanalen 3. Sideveggene til denne kanal er således skråstilt 3° i forhold til midtretningen for strømmen av vann som tillates ført inn i turbinen. Som et resultat er det en god vann-strøm langs veggene til kanalen og den progressive reduksjon av vann som tillates innført av etter hverandre følgende injektorer som til slutt er fordelaktig for god drift.

Et annet tilleggstrekk består i verdien som fortrinnsvis er lik 30°, som angitt ovenfor, for vinkelen som dannes mellom skråflatene 31, 32 (fig. 1) med de øvre og nedre vegger til kanalen 3 ved siden av rotoren. Det er funnet at disse skråkanter letter glidningen for vannet og likeldes letter den aksielle balansering av rotoren.

Et siste trekk utgjøres av den foretrukkede minimums-verdi for forholdet mellom flaten til fremdriftsstrålen (dvs. det indre snitt av enden av røret 12) (fig. 1) og den totale flate til de åtte inngangsvinduer for vann i statorkammeret 4. Det er antydet ovenfor at hvert av disse vinduer ved den beskrevne utførelse hadde en størrelse på 10 mm x 2 mm, som gir en flate på 160 mm 2 for hele anordningen. Det er funnet at det indre snitt fortrinnsvis bør ha en minimalverdi på 180 % av denne verdi eller minst 288 mm 2. I det beskrevne eksempel er det benyttet en sirkel med 2 0 mm diameter. Hvis denne beting-else ikke opprettholdes, vil mottrykket på grunn av utslipp av vannstrålen gjennom røret bremse turbinens rotor.

Det skal bemerkes at hvis det ikke er ønsket å be-nytte en fremdriftseffekt i vannet for innretningen som utgjø-res av turbinen og av verktøyene som er forbundet med den, hvilken effekt tilveiebringes av strålen som unnslipper gjennom røret, kan den krummede ledning 11 og røret 12 utelates, slik at utslipp av vannet er fritt.

Turbinen som er beskrevet ovenfor kan fremstilles med lave kostnader ved bruk av støpte plastmaterialer. Det er klart at forskjellige modifikasjoner med hensyn til form og dimensjoner kan benyttes innnefor oppfinnelsens ramme.

Claims (8)

1. Hydraulisk turbin innbefattende et hult statorhus (l), en plate (2) anordnet til å lukke nevnte hus, innretninger (20) for å feste platen (2) på huset, en sirkulær indre vegg anordnet i huset som adskiller et sylindrisk indre kammer (4) og et omliggende fordelingskammer (3), hvor den sirkulære indre vegg innbefatter et antall sirkulære ringpartier som i mellom disse danner et antall påfølgende innsprøytingsåpnin-ger (410-480) for føring av vann mellom fordellngskammeret og det sylindriske kammer, en vanntilførselsåpning (30) som kommuniserer med fordellngskammeret, første og andre motstå-ende sirkulære åpninger (7,9a) koaksielle med nevnte sylindriske kammer og henholdsvis anordnet i nevnte hus (1) og plate (2), en rotor (5) lokalisert i det sylindriske kammer som innbefatter en drivaksel (6) som passerer gjennom den første sirkulære åpning (7), en hul aksel (8) som er opplagret i den andre sirkulære åpning (9a) og tjener som utslipps-kanal, en første skive (51) koaksielt festet til drivakselen og en andre skive (52) anordnet med en aksiell unnslippelses-åpning, som er koaksielt festet til den hule aksel, idet den første og andre skive har en diameter i hovedsak lik med den av det sylindriske kammer og er koaksielt med dette, og fire skovler (53-56) festet til nevnte to skiver og som forløper derimellom, hvor skovlene hver har en profil av en sirkelbue med en indre ende og en ytre ende, og er henholdsvis sentrert om fire senterpunkter lokalisert på en ytterligere sirkel koaksielt til nevnte sylindriske kammer og plassert to og to på to henholdsvis ortogonale akser, karakterisert ved at den indre ende (B) av skovlene forløper tangensielt til nevnte ytterligere sirkel og den ytre ende (A) av skovlene er i nivå med den sirkulære indre vegg, at inn-sprøytingsåpningene har en plan endeflate (441) skråstilt ved 45" i forhold til den tilsvarende radle (oi2) av det tilsvarende ringparti (45) og danner med et plan tangensielt til overflaten av en korresponderende skovl en vinkel som varierer ved jevn grad, når rotoren roterer, mellom en første verdi oppnådd når innsprøytingsåpningen begynner å samvirke med nevnte korresponderende skovl, og en andre verdi som oppnås når den korresponderende skovl inntar en posisjon i hvilke et tilstøtende blad er ved det punkt av å samvirke med den samme innsprøytingsåpning, hvor den første verdi er lik 120" med en toleranse på ±5" og den andre verdi er lik 135° med en toleranse mindre enn ±5°.

2. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at forholdet mellom den ytre radle av skovlene (53-56) og radien av rotoren er i hovedsak likt med 3/4.

3. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at radien (00') av nevnte ytterligere sirkel er 0,33 ganger den indre radle (011) av den sirkulære indre vegg.

4. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at klaringen mellom det sylindriske indre kammer (4) og den korresponderende overflate av nevnte skiver (51,52) tilsvarer ca. 356 av høyden av det sylindriske indre kammer.

5. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at det dannede profil av det omliggende fordelingskammer (3) i et plan parallelt med aksen av rotoren har en form i hovedsak av et likebenet trapes, hvis hovedgrunnflate svarer til innløpsåpningen for vann og hvis forlengede sider danner en vinkel i hovedsak lik 87° med hovedgrunnflaten.

6. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at det parti av fordelingskammeret (3) som kommuniserer med det sylindriske kammer (4) gjennom nevnte åpninger har et rektangulært tverrsnitt innbefattende to skråkanter (31,32) som er skråstilt i hovedsak 30" til planet for endeveggen i kammeret (3).

7. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at den innbefatter en krummet rørledning (11) som er bevegbar i alle retninger og utstyrt med et rør (12) som er forbundet til nevnte hule aksel (8).

8. Turbin ifølge krav 1,karakterisert ved at det indre tverrsnitt av endedelen av røret (12) er minst 1,8 ganger den totale flate til de åtte vanninnløpsåpninger (410-480) til statorkammeret (4).