CZ292197B6

CZ292197B6 - Whirl turbine

Info

Publication number: CZ292197B6
Application number: CZ20004745A
Authority: CZ
Inventors: František Prof. Ing. Csc. Pochylý; Miloslav Ing. Csc. Haluza; Pavel Ing. Rudolf; František Ing. Šob
Original assignee: Vysoké Učení Technické V Brně Fakulta Strojního In
Priority date: 2000-12-18
Filing date: 2000-12-18
Publication date: 2003-08-13
Also published as: CZ20004745A3

Abstract

Turbine for low gradient and high thru-flow of liquids composed of a stator (1), a rotor (2), inside the chamber (12) of the body (11), attached with an impeller (22), fitted to a shaft (4) and leading out of the chamber (12) of the body (11). The principle of the invention lies in the fact that there are minimally two rotor blades (222) in the form of skewed spiral surfaces on a centre hub (221), whose warping increases in the direction towards the centre hub (221), whereas the maximum difference between the input and output angle of the rotor blades (222) is lower than 25 degrees and the angle (φL) of the running contact of the rotor blades (222) is less than or equal to 125 degrees.<IMAGE>

Description

Vynález se týká konstrukce vírové turbíny určené pro nízké a extrémně nízké spády a relativně vysoké průtoky kapaliny.The invention relates to a vortex turbine design for low and extremely low gradients and relatively high fluid flows.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

K přeměně potenciální energie kapaliny na energii elektrickou se v malých vodních elektrárnách používají pro malé spády přímoproudé klasické Kaplanovy turbíny různých konstrukcí, jejichž oběžné kolo je opatřeno minimálně třemi natáčivými lopatkami a regulovatelným rozvaděčem, jako je tomu například u SK UV 073. Nevýhodou těchto řešení je, že jsou poměrně konstrukčně složité, čímž se zvyšuje jejich výrobní náročnost. Je rovněž prokázáno, že při extrémně nízkých spádech a vysokém průtoku kapaliny značně klesá jejich účinnost a snižuje se jejich kavitační odolnost.In small hydroelectric power stations, conventional Kaplan turbines of various designs are used for small potential gradients to convert potential energy of liquid into electrical energy. The impeller is equipped with at least three swivel blades and an adjustable switchboard, as is the case with SK UV 073. They are relatively complicated in construction, which increases their manufacturing demands. It has also been shown that at extremely low gradients and high fluid flow their efficiency decreases significantly and their cavitation resistance decreases.

Je rovněž známo řešení průtočné turbíny se šroubovým oběžným kolem s mnoha závity podle patentu US 4 816 697, které se vykazuje rovněž nízkou účinností. Řešení turbíny dle DE 43 20 180 má oběžné kolo se zborcenými lopatkami na náboji velkého průměru, a proto je nelze použít pro nízké spády a velké průtoky kapaliny.It is also known to provide a multi-turn helical flow impeller turbine according to U.S. Pat. No. 4,816,697, which also exhibits low efficiency. The turbine design of DE 43 20 180 has an impeller with collapsed blades on a large diameter hub and therefore cannot be used for low gradients and large fluid flows.

Konečně je známo řešení vodní turbíny se šroubovým oběžným kolem dle patentu WO 98/25 027, jehož podstatou jsou mimořádně dlouhé vývrtkové lopatky, zajišťující minimalizaci úmrtnosti ryb při průchodu tímto strojem. Jedná se o pomaluběžný stroj dosahující účinnosti až 80 %, ale pouze pro vyšší spády. Z tohoto důvodu je nevýhodné vodní turbínu používat pro vysoké otáčky a nízké spády a je prakticky nepoužitelná pro extrémně nízké spády pro rozdíl hladin pod tři metry.Finally, it is known to design a water turbine with a screw impeller according to WO 98/25 027, which is based on extremely long corkscrew blades to minimize fish mortality when passing through the machine. It is a slow-running machine with an efficiency of up to 80%, but only for higher gradients. For this reason, it is disadvantageous to use a water turbine for high speeds and low gradients and is virtually unusable for extremely low gradients for levels below three meters.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Uvedené nevýhody odstraňuje do značné míry vírová turbína pro nízké spády a vysoké průtoky kapaliny, sestávající ze statoru, v komoře jehož tělesa je uchycen rotor s oběžným kolem uloženým na hřídeli, vyvedeném vně komory tělesa, a jehož podstata spočívá v tom, že na středovém náboji jsou vytvořeny minimálně dvě oběžné lopatky ve tvaru zborcené šroubové plochy, jejíž zborcení se směrem ke středovému náboji zvyšuje, přičemž maximální rozdíl mezi vstupním a výstupním úhlem oběžné lopatky je menší než 25° a úhel opásání oběžné lopatky je menší nebo roven 125°.These disadvantages are overcome to a large extent by a low-slope and high-fluid swirl turbine, consisting of a stator, in a housing of which a rotor with an impeller mounted on a shaft extending outside the housing of the housing is mounted. at least two impeller blades are formed in the form of a warped helical surface whose collapse increases towards the central hub, wherein the maximum difference between the impeller inlet and outlet angles is less than 25 ° and the impeller blade wrap angle is less than or equal to 125 °.

Rovněž je podstatou vynálezu, že oběžné lopatky jsou vytvořeny na válcové části středového náboje, přičemž komora má v místě uložení oběžného kola válcový průřez.It is also an object of the invention that the impeller vanes are formed on the cylindrical portion of the central hub, wherein the chamber has a cylindrical cross section at the impeller seat.

Je také podstatné, že ve směru proudění kapaliny jsou v komoře za výztužnými lopatkami uloženy před oběžným kolem rozváděči lopatky.It is also essential that downstream of the impeller the guide vanes are arranged in the chamber downstream of the reinforcing vanes in the liquid flow direction.

Konečně je podstatou vynálezu, že na středovém náboji jsou mezi oběžnými lopatkami vytvořeny mezilopatky, jej ichž počet je shodný s počtem oběžných lopatek.Finally, it is an object of the invention that intermediate hubs are formed on the central hub between the impeller blades, the number of which are equal to the number of impeller blades.

Nová konstrukce vírové turbíny se vyznačuje jednoduchou konstrukcí, která má za následek minimalizaci výrobních nákladů, snížení náročnosti obsluhy a snížení hydraulických ztrát. Turbína se vyznačuje oproti dosavadním přímoproudým turbínám vyššími otáčkami, vysokou hltností,The new design of the swirl turbine is characterized by a simple design that results in minimized production costs, reduced operator effort and reduced hydraulic losses. Turbine is characterized by higher revolutions, high

-1 CZ 292197 B6 vysokou hydraulickou účinností a vysokou kavitační odolností oběžného kola. Hydraulické řešení zajišťuje velice plochou charakteristiku účinností pro široký rozsah otáček a průtoků kapaliny. Nová konstrukce nepotřebuje používání rozvaděče, když regulaci průtoku kapaliny lze zajistit použitím frekvenčního měniče.High hydraulic efficiency and high cavitation resistance of the impeller. The hydraulic solution provides very flat efficiency characteristics for a wide range of speeds and fluid flows. The new design does not need the use of a switchgear when fluid flow control can be provided by using a frequency converter.

Popis obrázků na připojených výkresechDescription of the figures in the attached drawings

Konkrétní příklady provedení vynálezu jsou schematicky znázorněny na připojených výkresech, kde obr. 1 je základní konstrukce vírové turbíny v přímoproudém uspořádání, obr. 2 je alternativní konstrukce vírové turbíny s oběžným kolem uloženým v tělese spirály, obr. 3 představuje rozvinutý válcový řez oběžného kola z obr. 1 s vloženými mezilopatkami a obr. 4 je čelní pohled na oběžné kolo.Specific embodiments of the invention are schematically illustrated in the accompanying drawings, wherein Fig. 1 is a basic construction of a vortex turbine in a direct flow configuration; Fig. 2 is an alternative construction of a vortex turbine with an impeller housed in a spiral body; Fig. 1 with intermediate blades interposed; and Fig. 4 is a front view of the impeller.

Příklady provedení vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Vírová turbína sestává ze statoru 1, v jehož tělese 11 je vytvořena tvarovaná komora 12 pro uložení rotoru 2. Rotor 2 je tvořen pevným krycím nábojem 21, který je v komoře 12 uchycen pomoci výztužných lopatek 3, a oběžným kolem 22, které otočně uloženo na hřídeli 4, vyvedeném přes kuželovou převodovku 5 pod úhlem 90° vně tělesa 11 statoru L Komora 12 má pak v místě uložení oběžného kola 22 válcový průřez. Ve směru proudění kapaliny jsou za výztužnými lopatkami 3 v komoře 12. a to v její tvarované a zužující se části, uloženy před oběžným kolem 22 rozváděči lopatky 6. Vlastní oběžné kolo 22 sestává ze středového náboje 221, na jehož válcové části jsou vytvořeny dvě oběžné lopatky 222 ve tvaru mírně zborcené šroubové plochy, jejíž zborcení se směrem ke středovému náboji 221 zvyšuje, přičemž maximální rozdíl mezi vstupním a výstupním úhlem oběžné lopatky 222 je menší než 25°. Tyto oběžné lopatky 222 mají úhel dh_ opásání menší nebo roven 125°. Středový náboj 221 je pak za výstupem kapaliny z oběžného kola 22 zaobleně se zužující koncovkou 223.The vortex turbine consists of a stator 1, in the body 11 of which is formed a shaped chamber 12 for receiving the rotor 2. The rotor 2 is formed by a fixed cover hub 21, which is held in the chamber 12 by stiffening blades 3 and an impeller 22 The chamber 12 then has a cylindrical cross-section at the bearing location of the impeller 22 at an angle of 90 ° outside the stator housing 11. Downstream of the reinforcing vanes 3 in the chamber 12, in its shaped and tapered portion, in front of the impeller 22, the guide vane 6 is disposed. The impeller 22 itself consists of a central hub 221, on the cylindrical portion of which two impellers are formed. the blade 222 in the form of a slightly warped helical surface, the warping of which increases towards the center hub 221, wherein the maximum difference between the inlet and outlet angles of the orbital 222 is less than 25 °. These impeller blades 222 have a wrapping angle dh of less than or equal to 125 °. The center hub 221 then has a rounded tapering end 223 behind the fluid outlet from the impeller 22.

Popsané provedení vírové turbíny není jejím jediným konstrukčním řešením, ale jak plyne z obr. 2, může být přímoproudé provedení nahrazeno tělesem 11 se spirálou 13 a přímo vyvedeným hřídelem 4. Pro stabilizování proudu kapaliny proudící oběžným kolem 22 mohou být na středovém náboji 221 mezi oběžnými lopatkami 222 vytvořeny mezilopatky 223, jak je čárkovaně naznačeno na obr. 1 a nebo znázorněno v rozvinutém řezu na obr. 3. Oběžné lopatky 222 nemusí být pouze dvě ale mohou být v závislosti na velikosti oběžného kola 22 vírové turbíny tři i více, přičemž počet mezilopatek 223 musí v případě jejich použití odpovídat počtu oběžných lopatek 222. Konečně pak nemusí být v komoře 12 umístěny pro určité velikostní a účinnostní parametry turbín rozváděči lopatky 6.The described design of the vortex turbine is not its only constructional solution, but as shown in Fig. 2, the direct current design can be replaced by a body 11 with a spiral 13 and a directly extending shaft 4. To stabilize the fluid flow through the impeller 22 The intermediate blades 222 need not be only two but may be three or more depending on the size of the vortex turbine impeller 22, the number of blades 222 being shown in broken lines in FIG. The intermediate blades 223, when used, must correspond to the number of impeller blades 222. Finally, the distributor blades 6 need not be located in the chamber 12 for certain size and efficiency parameters of the turbines.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Vírovou turbínu podle vynálezu lze s výhodou použít pro stavby malých vodních elektráren, zejména pak pro extrémně nízké spády 1 až 3 m a relativně vysoké průtoky kapaliny.The vortex turbine according to the invention can be advantageously used for small hydroelectric power plant construction, especially for extremely low gradients of 1 to 3 m and relatively high liquid flows.

Claims

A vortex turbine for low gradients and high fluid flows, consisting of a stator, in a housing of which a rotor is mounted with an impeller mounted on a shaft extending outside the housing of the housing, characterized in that at least two center hubs (221) are formed impeller blades (222) in the form of a warped helical surface whose warp increases towards the center hub (221), the maximum difference between the inlet and outlet angles of the impeller blade (222) being less than 25 ° and the impeller angle (φβ) 222) is less than or equal to 125 °.

A swirl turbine according to claim 1, characterized in that the impeller blades (222) are formed on the cylindrical portion of the central hub (221), wherein the chamber (12) has a cylindrical cross section at the location of the impeller (22).

A vortex turbine according to claims 1 and 2, characterized in that in the chamber (12) downstream of the reinforcing vanes (3), the guide vanes (6) are arranged in front of the impeller (22) in the chamber (12).

Whirl turbine according to one of Claims 1 to 3, characterized in that intermediate flaps (223) are formed between the impeller blades (222) on the central hub (221) equal to the number of impeller blades (222).