NO323023B1 - Turbinhjul og Pelton-turbin utstyrt med dette - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et turbinhjul og en turbin av Pelton-typen utstyrt med et slikt hjul.

Pelton-turbiner blir konvensjonelt benyttet for å overføre den kinetiske energien til et fluid, slik som vannet i en foss, til mekanisk energi. Slik overføring blir utført ved å rotere turbinhjulet under virkningen av en tangentiell belastning som blir utøvd på skovler anordnet på omkretsen til en ledekrans av en vannstråle som kommer ut fra en eller flere injektordyser fordelt rundt hjulet.

Belastningen dannet på hvert skovl blir overført til ledekransen gjennom et festeområde for skovlen på ledekransen. Dette festeområdet, definert av den geometriske skjæringen mellom skovlen og ledekransen, blir utsatt for betraktelige mekaniske belastninger. Som effekt kan hver skovl bli mekanisk modellert som en bjelke som bare er festet på den ene siden, med det resultat at den gjennomgår en betraktelig bøyebelastning grunnet virkningen til strålen. I tillegg blir høyvibrasjonsbelastninger påført skovlen, og det er en fare for resonans for skovlen eller ledekransen.

Det har for kjente anordninger, spesielt for EP-A-0 346 681 eller for EP-A-0 522 336, blitt gjort forsøk på å overvinne disse ulempene ved å forsterke festeområdet for skovlene på ledekransen. Dette fører til konstruksjoner som er kompliserte og derfor kostbare, og til redusert pålitelighet. I tillegg forblir hver skovl festet til ledekransen med en side, med det resultat at de påtrufhe problemers natur ikke har blitt fundamentalt endret.

IFR-A-704 875 fremlegges det at skovlene til en turbin lages slik at de butter mot hverandre ved hjelp av ringer som er montert på deres omkrets. Fordelingen av belastningene blir ikke optimale, og armer må bli anbrakt mellom tilliggende skovler, som blir montert med størst mulig forsiktighet, som fører til en ikke-homogen fordeling av belastninger.

Det er et spesielt formål ved den foreliggende oppfinnelse å overvinne disse problemene ved å foreslå et turbinhjul av Pelton-typen i hvilket skovlene er koblet til ledekransen slik at de mekaniske belastningene ikke blir konsentrert i et område for festing av skovlen til ledekransen, og farene for resonans for hjulet blir vesentlig redusert takket være en optimalisert fordeling av belastninger.

I dette henseendet vedrører oppfinnelsen et hjul av ovenfor nevnte type, som innbefatter minst en ringformet skive fast med ledekransen og tilveiebrakt med hus for å motta skovlene. Denne skiven er tilpasset for å absorbere i det minste deler av belastningene overført av skovlene til ledekransen, og danner et omkretsliggende bånd i nivå med de ytre radielle områdene til husene.

Takket være oppfinnelsen gjør skiven som er laget i et stykke og omgir skovlene det mulig å støtte dem, nær ledekransen, i et mellomliggende område og i et ytre radielt område, med det resultat at hver skovl blir opprettholdt effektivt i sine indre, ytre og sentrale radielle områder, og at belastningen som den er utsatt for, grunnet eksistensen til fluidstrålen som driver turbinen, har sin effekt i å påføre det på skiven. Denne belastningen er i det tilfellet ikke konsentrert utelukkende i et område for festing av skovlen til ledekransen, men fordelt over hele skiven. Med andre ord, blir den tangentielle belastningen dannet på en skovl overført til skiven. Skovlen og delen av skiven som støtter skovlen kan bli mekanisk modellert som en bjelke på to lagre, og til og med en bjelke som er lagret over sin lengde, idet det første lageret er mot ledekransen, mens det andre lageret utgjøres av det perifere båndet til skiven. En slik fordeling av belastninger induserer en reduksjon av belastningene som blir utøvd på de mekaniske komponentene, som gjør det mulig å benytte deler med mindre tykkelse.

Med det foregående tatt i betraktning, kan et turbinhjul i henhold til oppfinnelsen bli laget av metall, komposittmateriale eller være en blandet konstruksjon. For eksempel kan disse deler, slik som ledekransen eller skiven, være laget av metall, mens andre deler, slik som skovlene, være laget av syntetisk komposittmateriale. En ledekrans eller en skive laget av komposittplastmateriale kan også bli tilknyttet metallskovler.

I tillegg gjør tilstedeværelsen av det ytre perifere båndet til skiven, som danner en kontinuitet av materiale utenfor hjulet, det mulig å vesentlig redusere vibrasjonsbelastningene som utøves på skovlene. Som effekt bidrar det perifere båndet til å fordele disse belastningene på de ulike skovlene, med det resultat at det ekvivalente iboende modus for hver skovl ikke lenger er som for en bjelke festet bare i en ende, som for anordningen i henhold til kjent teknikk, men som for en bjelke som er festet på en side, og som er lagret eller festet på den andre siden.

Til slutt har det overraskende blitt runnet ut at tilstedeværelsen av skiven gjør det mulig å meget vesentlig forbedre de aerodynamiske ytelsene til hjulet i henhold til oppfinnelsen. Faktisk gjør skiven det mulig å begrense den såkalte "ventilator"-effekten, til hjulet under rotasjon, dvs. resirkulasjon av luften mellom utsiden av hjulet og rommene mellom to påfølgende skovler grunnet rotasjonsbevegelse. Slik reduksjon av tverrgående luftbevegelse med hensyn til skovlene var det mulig å kvantifisere ved laboratorietester til ca. 20% av bremsekraften grunnet ventilasjonen til hjulet i fråvær av skiven. På denne måten gjør også oppfinnelsen det mulig å forbedre fortrinnene til et Pelton-turbinhjul i vesentlig grad.

I henhold til et første fordelaktig aspekt ved oppfinnelsen innbefatter hjulet to skiver anordnet på hver side av en eller flere injektordyser på turbinen. Dette aspektet ved oppfinnelsen gjør det mulig å anordne skivene motsatt av hver bolle eller pøs hos skovlene når skovlene er doble, slik det konvensjonelt er tilfellet med Pelton-turbiner. I det tilfellet kan skivene være tilveiebrakt for å være i det vesentlige innrettet på medianaksene til pøsene til skovlene.

I henhold til et annet fordelaktig aspekt ved oppfinnelsen er skiven eller skivene tilveiebrakt med eiker som hver er tilpasset for i det vesentlige å fylle rommet som adskiller to tilliggende skovler på hjulet. Takket være aspektet ved oppfinnelsen fremviser eikene et tilstrekkelig tverrsnitt til å oppta de mekaniske belastningene som overføres av skovlene. I tillegg gjør det faktum at de i det vesentlige fyller rommet som adskiller to skovler det mulig å optimalisere reduksjonen av "ventilator"-effekten.

I henhold til en første utførelsesform av oppfinnelsen er skiven eller skivene i form av en perforert ring, idet midler for fjernbart å montere skiven eller skivene på ledekransen er tilveiebrakt nær en indre kant av skiven eller skivene.

I henhold til en andre utførelsesform av oppfinnelsen er skiven eller skivene utformet i en del med minst en del av ledekransen. Takket være dette aspektet ved oppfinnelsen blir overføring av belastningene til skiven mot ledekransen optimalisert. I tillegg kan sammenstilling av turbinhjulet bli underlettet. I det tilfellet kan ledekransen være tilveiebrakt for å bli utformet av to ledekranshalvdeler, idet hver ledekranshalvdel strekker seg radielt mot utsiden av en skive.

I henhold til et annet fordelaktig aspekt ved oppfinnelsen som er anvendbart uansett utførelsesform, er skovlen fjernbart festet på skiven eller skivene og/eller ledekransen. Dette aspektet ved oppfinnelsen sikrer en god dimensjonell stabilitet for hjulet under bruk, og en effektiv overføring av belastningene fra skovlene mot ledekransen. I tillegg blir vedlikeholdsoperasjonene på skovlene eller skivene underlettet.

I henhold til et annet aspekt kan skovlen være permanent festet på skiven eller skivene og/eller ledekransen.

Oppfinnelsen vedrører også en turbin av Pelton-typen innbefattende et hjul som beskrevet ovenfor. En slik turbin kan bli tilvirket mer økonomisk enn tidligere kjente turbiner siden det er mulig å optimalisere dimensjoneringen av delene ved å ta i betraktning det faktum at de mekaniske belastningene blir bedre fordelt over hjulet. I tillegg blir fordelene ved denne turbinen forbedret ved reduksjon av ventilator-effekten.

Oppfinnelsen vil bli enklere forstått, og andre fordeler med denne vil fremgå klarere fra den følgende beskrivelsen av to utførelsesformer av et turbinhjul i henhold til oppfinnelsens prinsipp, gitt utelukkende som eksempler, og med henvisning til de medfølgende tegninger, der:

Fig. 1 er et delvis perspektivriss av et Pelton-turbinhjul i henhold til oppfinnelsen.

Fig. 2 er et snitt langs linjen II-II i fig. 1.

Fig. 3 er et snitt langs linjen III-III i fig. 2, og

fig. 4 er et riss lignende fig. 2 for et turbinhjul i henhold til en andre utførelsesform av oppfinnelsen.

Med henvisning til tegningene, innbefatter turbinhjulet vist i fig. 1 en ledekrans 1 og skovler 2, atten totalt i det viste eksempelet, fordelt om omkretsen av ledekransen 1. Hver skovl innbefatter to pøser 3 som er adskilt av en midtre kant 4 tiltenkt å være anbrakt motsatt av en eller flere vann- eller dampinjektordyser (ikke vist). Ledekransen 1 er tilveiebrakt for å bli montert på en momentoverføringsaksel (heller ikke vist).

For å gjøre tegningen klarere, har bare en skovl blitt vist i fig. 1.

I henhold til oppfinnelsen er to skiver 5 og 6 med annulær form montert på ledekransen 1, og bidrar til å opprettholde skovlene 2 i forhold til denne ledekransen. Skivene 5 og 6 er respektivt tilveiebrakt med hus 7 og 8 i hvilke pøsene 3 til skovlene 2 er respektivt innsatt. Husene 7 og 8 kan være maskinelt eller oppnådd ved støping i skivene 5 og 6. Hver av skivene 5 og 6 passerer radielt og utover fra skovlene 2, med det resultat at to kontinuerlige bånd 9 og 10 blir respektivt definert i de ytre omkretsliggende områdene til skivene 5 og 6. Disse kontinuerlige båndene 9 og 10 forbinder eikene 11 og 12 som respektivt tilhører skivene 5 og 6. Hvert hus 7 på skiven 5 er definert av to tilliggende eiker 11 som utgjør en del av skiven 5, og av båndet 9, mens hvert hus 8 på skiven 6 er definert av to tilliggende eiker 12 som utgjør en del av skiven 6 og av båndet 10.

På denne måten blir hver skovl 2 støttet både av ledekransen 1 og av de to skivene 5 og 6 som hver danner en en-dels annulær ring rundt ledekransen 1, med det resultat at skyvkreftene F, synlig i fig. 3 og overført til en skovl 2 av vann- eller dampstrålen, blir fordelt i kreftene F' i eikene 11 eller 12 til skivene 5 og 6, fra hvilke de blir overført til ledekransen 1. Deler av disse kreftene kan også passere via festeområdet for skovlene på ledekransen, som for kjente anordninger. Takket være denne fordelingen er festeområdet for skovlene 2 på ledekransen 1 ikke et kritisk mekanisk belastningsområde.

Sammenstilling av skovlene og skivene på ledekransen 1 fremgår klarere i fig. 2 og 3. XX' er aksen til senterkanten 4 til en skovl 2. Skovlen 2 innbefatter to klasser 15 og 16 tilpasset å bli anordnet på hver side av en ytre radiell del 17 hos ledekransen 1. Elementene 15 til 17 er respektivt tilveiebrakt med et sentralt hull 15a, 16a, eller 17a for å motta en låseskrue 18. Skivene 5 og 6 er tilveiebrakt for å være anordnet på hver side av ledekransen 1 og av klassene 15 og 16, og innbefatter, nær sine respektive innerkanter 5a og 6a, hull 5b og 6b tilveiebrakt for å bli innrettet med hullene 15a, 16a og 17a, med det resultat at skruen 18 suksessivt traverserer skiven 5, klaffen 15, den radielle delen 17, klaffen 16 og skiven 6. På denne måten blir skivene 5 og 6, og skovlen 2 avtagbart montert på ledekransen 1.

Kreftene F grunnet vann- eller dampstrålen overført til ulike skovler 2 overføres ikke utelukkende via klaffene 15 og 16 til hver skovl 2, men blir fordelt over omkretsen av ledekransen 1, takket være skivene 5 og 6, og spesielt båndene 9 og 10.

For å forbedre stivheten til sammenstillingen, og slik det fremgår mer spesifikt i fig. 3, kan området 17 til ledekransen være tilveiebrakt for å være laget ved å fjerne materialet med hensyn til den nominelle bredden til ledekransen 1 som blir bevart i rommet 19 som separerer to kontinuerlige områder 17.

Det vil forstås at geometrien til eikene 11 og 12 er tilpasset den ytre formen til skovlene, med det resultat at sistnevnte blir ubevegeliggjort inne i husene 7 og 8 grunnet samvirkning av formene, der dette fremviser den ytterligere fordelen at eikene 11 og 12 i det vesentlige fyller rommet som separerer to tilliggende skovler på hjulet, med det resultat at den aerodynamiske separasjon av det indre volumet 20 definert mellom de to skivene 5 og 6 med hensyn til utsiden av disse skivene blir optimalisert. Med andre ord, blir tverrsirkulasjonen av luft gjennom det indre volumet 20 begrenset.

Det skal bemerkes at skivene 5 og 6 er i det vesentlige innrettet på medianaksene AA' og BB' til skovlenes 2 pøser 3. Dette bevirker at eikene 11 og 12 til skivene 5 og 6 blir adskilt fra bunnen av pøsene 3 med en avstand d^ og fra kantene til pøsene med en avstand d^, tilstrekkelige avstander til ikke å forstyrre strømmen av vann eller damp mot utsiden av volumet 20. Det faktum at avstanden d^ er vesentlig mindre enn avstanden d^ samsvarer med det faktum at eikene 11 og 12 i det vesentlige fyller rommet som separerer to tilliggende skovler.

Slik det klarere fremgår i fig. 3, blir hver skovl 2 også holdt fast med skiven 6 takket være en låseskrue 21 rommet i et hull 22 i skiven 6 og tilpasset å gripe i en bakre boss 23 til skovlen 2. En identisk konstruksjon er tilveiebrakt i nivå med skiven 5. Skruen 21 forbedrer ubevegeliggj øringen av skovlen 2 med hensyn til skiven 5.

I den andre utførelsesformen vist i fig. 4, har elementer som er like med de til utførelsesformen i fig. 1 til 3 identiske henvisningsbetegnelser øket med 50.1 denne utførelsesformen er ledekransen 51 utformet av to ledekranshalvformdeler 51a og 51b tilpasset å bli montert sammen, for eksempel ved hjelp av skruer 51c.

Ledekranshalvdelen 51a strekker seg radielt mot utsiden med en en-dels ring 55 som danner en ringformet skive hvis funksjon er identisk med skiven 5 i den tidligere utførelsesformen. Ringen eller skiven 55 strekker seg radielt til utsiden av en skovl 52 tilveiebrakt med to pøser 53 separert av en sentral kant 54. Tilsvarende strekker ledekranshalvdelen 51b seg ved hjelp av en ring eller ringformet skive 56 tilpasset å støtte skovlene 52. Ringene 55 og 56 er tilveiebrakt med hus 57, 58 for å motta skovlene 52, mens kontinuerlige bånd 59 og 60, som henholdsvis tilhører skivene 55 og 56, definerer hus 57 og 58 i sine ytre radielle deler.

Siden elementene 51a og 55 på den ene siden, og 51b og 56 på den andre siden, er utformet i en del, blir overføring av kreftene mellom skivene 55 og 56 og ledekransen 51 optimal.

Et Pelton-turbinhjul i henhold til denne andre utførelsesformen blir montert ved å bringe ledekranshalvdelene 51a og 51b mot hverandre, mens skovlene 52 er fordelt radielt i en posisjon nær sine endelige posisjoner, og der dette gjør det mulig å kile en tapp eller tunge 52a hos hver skovl 52 mellom ledekranshalvdelene 51a og 51b, og således forbedre forankringen av skovlene 52 i forhold til ledekransen 51. En skrue 51c går fordelaktig gjennom tappen 52a til hver skovl 52.

I henhold til en variant av oppfinnelsen (ikke vist) kan ledekransen 51 og skivene 55 og 56 være tilveiebrakt for å bli utformet i en del. Med andre ord, er ledekranshalvdelene 51a og 51b i dette tilfellet forbundet i en del, oppnådd ved hjelp av støping og/eller bearbeiding.

Effekten av forbedringene av ventilasjonen til turbinen beskrevet med henvisning til utførelsesformen i fig. 1 til 3 blir også oppnådd med anordningen i henhold til den andre utførelsesformen.

Tatt i betraktning det relativt lave belastningsnivået som blir gjennomgått av skovlene og ledekransen til et turbinhjul i henhold til oppfinnelsen, kan det forutses at disse delene og skivene kan lages av materialer som inntil nå ikke har blitt vurdert for denne type anordning. Spesielt kan bruk av komposittharpiks, muligens forsterket med fibre, bli forutsett, men der disse deler fremdeles blir laget av metall.

Ettersom skovlene kan bli tilvirket uavhengig av ledekransen og skivene, kan de være tilveiebrakt for å bli belagt med anti-abrasjons- eller anti-erosjonsprodukt før de blir sammenstilt. Spesielt kan teknikken som fremlegges i søkerens patentsøknad EP-A-0 543 753 benyttes.

Et turbinhjul i henhold til oppfinnelsen blir montert av en ledekrans, en eller to skiver, og fra skovler eller skovllagerforsterkninger. Disse ulike komponentene kan bli sammenstilt ved hjelp av midlene beskrevet vist i figurene, eller ved hjelp av andre passende midler, slik som spesielt samvirkning av fonner, kiling, krymping, sveising, lodding, klebing.

Oppfinnelsen har blitt representert med skovler som er avtagbart montert på ledekransen og skiven. Det er også mulig å montere disse skovlene permanent på ledekransen og/eller skiven, spesielt sveiset, loddet eller klebet i posisjon. Tilsvarende kan et en-dels hjul bli produsert ved støping, der dette hjulet innbefatter en ledekrans, en eller to skiver og skovler.

Claims (10)

1. Turbin-hjul av Pelton-typen, innbefattende en ledekrans (1, 51) og et flertall skovler (2) fordelt på omkretsen til ledekransen, karakterisert ved at det innbefatter i det minste en ringformet skive i form av en ring (5,6; 55, 56) som sitter fast i ledekransen, og tilveiebrakt med hus (7, 8; 57, 58) for å motta skovlene, idet skiven er tilpasset å oppta i det minste en del (F') av kreftene (F) som overføres ved hjelp av skovlene til ledekransen og danner et omkretsliggende bånd (9,10; 59,60) i nivå med de ytre radielle områdene til husene.

2. Turbinhjul i henhold til krav 1, karakterisert ved at det innbefatter to skiver (5, 6; 55, 56) anordnet på begge sider av en eller flere injektordyser hos turbinen.

3. Turbinhjul i henhold til krav 2, karakterisert ved at skivene (5, 6; 55, 56) er i det vesentlige innrettet på medianaksene (AA\ BB') til pøsene (3) til skovlene (2; 52).

4. Turbinhjul i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at skiven eller skivene (5, 6; 55, 56) er tilveiebrakt med eiker (11,12) som hver er tilpasset for i det vesentlige å fylle rommet som adskiller to av hjulets tilliggende skovler (2; 52).

5. Turbinhjul i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at skiven eller skivene (5, 6; 55, 56) er i form av en perforert ring, og at midler (5b, 6b, 17a, 18) for avtagbart å montere skiven eller skivene på ledekransen (1) er tilveiebrakt i nærheten av en indre kant (5 a, 6a) hos skiven eller skivene.

6. Turbinhjul i henhold til et av kravene 1 til 4, karakterisert v e d at skiven eller skivene (5,6; 55, 56) er utformet i en del med en del (5la, 5lb) av ledekransen (51).

7. Turbinhjul i henhold til krav 6, karakterisert ved at ledekransen (51) er utformet av to ledekranshalvdeler (51a, 51b) tilpasset å bli sammenstilt for å danne ledekransen, idet hver ledekranshalvdel strekker seg radielt mot utsiden av en skive (55, 56).

8. Turbinhjul i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at skovlene (2; 52) er avtagbart festet på skiven eller skivene (5,

6; 55, 56) og/eller ledekransen (1; 51).

9. Turbinhjul i henhold til et av de foregående krav, karakterisert ved at skovlene er permanent festet på skiven eller skivene eller ledekransen.

10. Turbin av Pelton-typen, karakterisert ved å innbefatte et turbinhjul i henhold til et av de foregående krav.