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    • 专利摘要:
    Die vorliegende Erfindung schafft eine Francis-Turbine mit einer verbesserten Schaufelform, um den Nebenstrom um die Schaufeln zu reduzieren und die hydraulische Effizienz zu verbessern. Die Francis-Turbine umfasst eine Drehwelle, einen Kranz, mehrere Schaufeln und ein Band. Das Band ist mittels der Schaufeln koaxial mit dem Kranz verbunden, und die Drehwelle, der Kranz, die Schaufeln und das Band werden als Ganzes durch Wasser angetrieben und drehen während eines Turbinenbetriebs in Richtung einer Turbinenrichtung. An einer Führungskante wenigstens einer Schaufel ist zwischen dem Kranz und dem Band ein lokaler Maximumpunkt vorhanden. Die Führungskante ist von dem Bandverbindungspunkt, an dem das Band und die Führungskante miteinander verbunden sind, in Richtung der Turbinenrichtung geneigt. Ein Umfangsabstand ist in der Drehrichtung zwischen dem Bandverbindungspunkt und der Führungskante an dem lokalen Maximumpunkt am größten.
    公开号:DE102004029107A1
    申请号:DE102004029107
    申请日:2004-06-16
    公开日:2005-02-17
    发明作者:Yasuyuki Enomoto；Sadao Kurosawa；Kaneo Sugishita
    申请人:Toshiba Corp；
    IPC主号:F03B3-12
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Francis-Turbine, die für eine Wasserkraftturbineoder eine Pumpe verwendet wird, und insbesondere auf ein Francis-Turbinenlaufrad mitSchaufeln, die eine verbesserte Form an einer Führungskante aufweisen.
    [0002] EineFrancis-Turbine wird in einer Wasserkraftmaschine, einschließlich einerreversiblen Pumpenturbine, zur Energieerzeugung verwendet.
    [0003] EinherkömmlichesFrancis-Turbinenlaufwerk ist in der US-A-4,479,757 beschrieben.Dieses herkömmlicheFrancis-Turbinenlaufradumfasst Schaufeln, deren Einlassform (Führungskante) von einer Bandseitezu einer Kranzseite in Richtung entgegengesetzt zu einer Drehrichtungim Turbinenbetrieb gekrümmtist.
    [0004] Einweiteres herkömmlichesFrancis-Turbinenlaufrad ist in der US-A-6,135,716 beschrieben. Dieses herkömmlicheFrancis-Turbinenlaufradumfasst Schaufeln, deren Auslassform (Rückflanke) von einer Kranzseitezu einer Bandseite in Richtung einer Drehrichtung einer Turbinenrichtunggekrümmtist. Dieses herkömmlicheFrancis-Turbinenlaufrad umfasst ebenfalls Schaufeln, deren Einlassform(Führungskante)von einer Bandseite zu einer Kranzseite in Richtung einer Drehrichtungim Turbinenbetrieb gekrümmtist.
    [0005] DieseSchaufelformen herkömmlicherFrancis-Turbinen wurden entwickelt, um die hydrodynamische Effizienzzu verbessern oder Kavitationen zu reduzieren. Basierend auf letztenTechnologieentwicklungen auf Gebieten, wie beispielsweise auf demGebiet der rechnerischen Dynamik flüssiger Körper, ist weiterhin Raum für Weiterentwicklungenin Bezug auf effizienzverbessernde Schaufelformen.
    [0006] Insbesondereist bekannt, dass Nebenströmungen,also Strömungen,die nicht entlang einer Strömungslinieströmen,eine Druckverteilung auf den Schaufeln verzerren und zu einem Verlustder hydrodynamischen Effizienz führen.
    [0007] Esist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Francis-Turbinemit verbesserter Schaufelform zu schaffen, um den Nebenstrom umdie Schaufeln zu reduzieren und die hydrodynamische Effizienz zuverbessern.
    [0008] ZurLösungder oben genannten Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung eineFrancis-Turbine mit einer Drehwelle, einem Kranz, der sich zusammenmit der Drehwelle dreht, mehreren Schaufeln, die am Kranz entlangseines Umfangs angeordnet sind, wobei jede der Schaufeln ein äußeres Endeals sogenannte Führungskanteaufweist, einem Band, das überdie Schaufeln koaxial mit dem Kranz verbunden ist, und einem lokalenMaximumpunkt, der zwischen dem Kranz und dem Band auf wenigstenseiner der Führungskantenvorhanden ist, wobei die Drehwelle, der Kranz, die Schaufeln unddas Band als Ganzes durch Wasser angetrieben werden und während einesTurbinenbetriebs in einer Turbinenrichtung gedreht werden, wobeidie Führungskantedort einen Bandverbindungspunkt aufweist, wo das Band und die Führungskantemiteinander verbunden sind, die Führungskante von dem Bandverbindungspunktin Turbinenrichtung geneigt ist und ein Umfangsabstand in Drehrichtungzwischen dem Bandverbindungspunkt und der Führungskante an dem lokalenMaximumpunkt am größten ist.
    [0009] Fernerschafft die vorliegende Erfindung ein Francis-Turbinenlaufrad, das um eine Drehachsedrehbar ist, mit einem Kranz, der um die Drehachse drehbar ist,mehreren Schaufeln, die entlang des Umfangs an dem Kranz angeordnetsind, wobei jede der Schaufeln ein äußeres Ende als Führungskanteaufweist, einem Band, das mittels der Schaufeln koaxial mit demKranz verbunden ist, und einem lokalen Maximumpunkt, der zwischendem Kranz und dem Band an wenigstens einer der Führungskanten vorhanden ist,wobei der Kranz, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasserangetrieben und währendeines Turbinenbetriebs in einer Turbinenrichtung gedreht werdenund ein kreisförmigeszylindrisches Koordinatensystem, das durch die Parameter r, θ und z definiertist, derart eingeführtwerden kann, dass (a) ein Ursprung auf der Drehachse an einer Positiondefiniert ist, an der die Führungskanteund das Band miteinander verbunden sind, (b) eine positive Richtungvon θ inTurbinenrichtung und (c) eine positive Richtung von z in Richtungdes Kranzes definiert ist, wobei ein projiziertes Profil der Führungskanteauf einer zylindrischen Oberflächedurch das zylindrische Koordinatensystem unter Verwendung von θ und z zumindestan der Bandseite als (d)
    [0010] WeitereMerkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werdenanhand der nachfolgenden genauen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformenund der beiliegenden Figuren deutlich.
    [0011] 1 ist eine schematischeSeitenansicht eines Laufrades füreine Francis-Turbine gemäß der ersten Ausführungsform.
    [0012] 2 ist eine schematischeDraufsicht eines Laufrades füreine Francis-Turbine gemäß der ersten Ausführungsform.
    [0013] 3 ist eine schematischeExplosionsansicht einer herkömmlichenSchaufel fürein Francis-Turbinenlaufrad,die schematisch ein Simulationsergebnis einer Druckverteilung ander Saugseite währenddes Turbinenbetriebs zeigt.
    [0014] 4 ist eine schematischeExplosionsansicht der Schaufel fürdas Francis-Turbinenlaufrad gemäß dieserAusführungsform,die schematisch ein Simulationsergebnis einer Druckverteilung ander Saugseite währenddes Turbinenbetriebs zeigt.
    [0015] 5 ist eine schematischeSeitenansicht eines Laufrades füreine Francis-Turbine gemäß einerModifikation der ersten Ausführungsform.
    [0016] 6 ist ein Graph, der einenhydrodynamischen Verlust in einem Francis-Turbinenlaufrad hinsichtlich einervertikalen Position des lokalen Maximumpunktes M der Führungskantezeigt.
    [0017] 7 ist eine erweiterte Draufsichteiner einzelnen Laufradschaufel gemäß der ersten Ausführungsform.
    [0018] 8 ist ein Graph, der denVerlust des Laufrades 20 hinsichtlich des Umfangsabstandszwischen dem Bandverbindungspunkt und dem lokalen Maximumpunkt zeigt.
    [0019] 9 ist eine erweiterte Draufsichteiner einzelnen Laufradschaufel gemäß der ersten Ausführungsform.
    [0020] 10 ist ein Graph, der denVerlust des Laufrades 20 hinsichtlich des Umfangsabstandszwischen dem Bandverbindungspunkt und dem Kranzverbindungspunktzeigt.
    [0021] 11 ist eine Seitenansichtdes Francis-Turbinenlaufradesbetrachtet von einer äußeren Umfangsseitedes Laufrades gemäß einerweiteren Modifikation der ersten Ausführungsform.
    [0022] Eineerste Ausführungsformgemäß der vorliegendenErfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die 1 bis 11 beschrieben.
    [0023] 1 und 2 sind schematische Ansichten eines Laufradesfür eineFrancis-Turbine gemäß der ersten Ausführungsform. 1 ist eine Seitenansichtdes Laufrades betrachtet von einer Umfangsseite des Laufrades und 2 ist eine Draufsicht aufLaufradschaufeln betrachtet von einer Kranzseite, wobei der Kranzentfernt ist.
    [0024] EinFrancis-Turbinenlaufrad 20 umfasst einen Kranz 22,mehrere Laufradschaufeln 21 und ein Band 23. EineDrehwelle 28 (Spindel) einer Francis-Turbine ist an einemMittelpunkt des Kranzes 22 befestigt. Mehrere Laufradschaufeln 21 (Laufradleitschaufeln)sind entlang des Umfangs zwischen dem Kranz 22 und dem Band 23 angeordnet.Mit anderen Worten ist das Band 23 über die Schaufeln 21 koaxialmit dem Kranz 22 verbunden. Ein äußeres Ende jeder Schaufel 21 wirdnachfolgend als Führungskante 24 bezeichnet,an der Wasser währendeines Turbinenbetriebs eintritt. Das Francis-Turbinenlaufrad 20 wird während desTurbinenbetriebs angetrieben und dreht sich um eine Drehachse, dieeinem Mittelpunkt CL der Drehwelle 28 entspricht, in einerTurbinenrichtung. Die Führungskanten(Einlasskanten) 24 der Schaufel 21 sind jeweilsals ein Bogen 27 ausgebildet, der in einer Turbinenrichtungkonvex geformt ist, wobei die Turbinenrichtung einer Drehrichtungwährenddes Turbinenbetriebs entspricht. An einer als Bogen 27 ausgebildetenFührungskante 24 istein lokaler Maximumpunkt M zwischen einem wandseitigen Fußpunkt 25 (nachfolgendBandverbindungspunkt genannt, an dem die Führungskante 24 unddas Band 23 miteinander verbunden sind) und einem kranzseitigen Fußpunkt 26 (nachfolgendKranzverbindungspunkt genannt, an dem die Führungskante 24 undder Kranz 22 miteinander verbunden sind) definiert. Beidem lokalen Maximumpunkt M handelt es sich um einen Punkt, an demder Umfangsabstand von dem Bandverbindungspunkt lokal maximal ist.Bei dieser Ausführungsformist ein Umfangsabstand vom Bandverbindungspunkt 25 am lokalenMaximumpunkt M auf der Führungskante 24 inder Turbinenrichtung am größten. Die Führungskante 24 isthinsichtlich einer geraden Linie SL, die den Bandverbindungspunkt 25 undden Kranzverbindungspunkt 26 miteinander verbindet, vomBandverbindungspunkt 25 in Richtung der Turbinenrichtunggeneigt.
    [0025] Nachfolgenderfolgt eine genauere Beschreibung unter Einführung eines zylindrischen Koordinatensystems.Das zylindrische Koordinatensystem mit den Parametern r, θ und z kannin die in 1 dargestellte Ausführungsformderart eingeführtwerden, dass (a) ein Drehmittelpunkt (Drehachse)CL einer Drehwelle 28 der z-Achse entspricht, wobei dieSeite des Kranzes 22 positiv definiert ist, und (b) eine positive Richtung von θ in der Turbinenrichtung definiertist, die einer Drehrichtung im Turbinenbetrieb entspricht.
    [0026] Betrachtetman die Führungskante 24,wenn diese Ausführungsformauf eine zylindrische Oberfläche miteinem festen Radius r projiziert wird, so genügt ein projiziertes Profilder Führungskante 24 derGleichung
    [0027] Mitanderen Worten weist das Profil der Führungskante 24 einenPunkt auf, der den oben genannten Formeln zwischen den beiden Enden(ohne diese einzuschließen)genügt,also zwischen Bandverbindungspunkt 25 und Kranzverbindungspunkt 26,wenn ein Ursprung des zylindrischen Koordinatensystems auf der Drehachse 28 aneiner Position des Bandverbindungspunktes 25 definiertist. Der Punkt auf der Führungskante 24,der den oben genannten Formeln genügt, entspricht dem lokalenMaximumpunkt M der Führungskante 24.
    [0028] Inden 1 und 2 bezeichnet die Bezugsziffer 29 Druckseitender Laufradschaufeln 21 und eine Bezugsziffer 30 bezeichnetentsprechend Saugseiten der Laufradschaufeln 21.
    [0029] Esist bekannt, die Führungskantebei dem herkömmlichenFrancis-Turbinenlaufrad als Bogen auszubilden. Die Führungskantenbei diesem herkömmlichenFrancis-Turbinenlaufrädern weisennur ein monoton gekrümmtesProfil auf. Wenn sich das Francis-Turbinen-Laufrad während desTurbinenbetriebs dreht, weist das von der Führungskante kommende Wasserhäufigeine Strömungentlang des Profils der Führungskante auf.Somit erzeugt das monoton gekrümmteProfil der Führungskantegemäß dem Standder Technik eine Strömungvon der Kranzseite in Richtung der Bandseite oder von der Bandseitein Richtung der Kranzseite, wodurch eine Nebenströmung erzeugtwird.
    [0030] Andererseitswerden bei einem Francis-Turbinenlaufrad 20 gemäß der Ausführungsform,das Laufradschaufeln 21 mit dem oben beschriebenen undin den 1 und 2 dargestellten Aufbau miteinem lokalen Maximumpunkt M der Führungskante 24 zwischendem Bandverbindungspunkt 25 und dem Kranzverbindungspunkt 26 umfasst,Strömungenvon der Kranzseite in Richtung der Bandseite und von der Bandseitein Richtung der Kranzseite erzeugt, die häufig an der Oberfläche derSchaufeln 21 geschwächtsind. Auf diese Weise kann bei der Ausführungsform das Entstehen einerNebenströmungreduziert und die hydrodynamische Effizienz verbessert werden.
    [0031] 3 ist eine schematischeExplosionsansicht der herkömmlichenSchaufel fürdas Francis-Turbinenlaufrad, das schematisch ein Ergebnis einerSimulation einer Druckverteilung auf der Saugseite während des Turbinenbetriebszeigt.
    [0032] In 3 sind eine Schaufel 7,eine Führungskante 13,ein Band 14 (bandseitiger Fußpunkt), ein Kranz 15 (kranzseitigerFußpunkt)und eine Saugseite 17 dargestellt. Ferner bezeichnet in 3 eine Bezugsziffer SFLeine Stromlinie (Linie der Strömung)und eine Bezugsziffer EP eine konstante Drucklinie. Bei dieser herkömmlichenSchaufel 7 ist die Führungskante 13 inRichtung der Turbinenrichtung von der Bandseite 14 zur Kranzseite 15 alsBogen monoton geneigt.
    [0033] Wiein 3 gezeigt ist, istdie Druckverteilung um den Bereich "X" verzerrt,was bedeutet, dass in dem Bereich "X" eineStrömungin Richtung des bandseitigen Fußpunktes 14 aufgrundeines monoton gekrümmtenProfils der Führungskantebereits erzeugt wird. Die Strömungin Richtung des bandseitigen Fußpunktes 14 umden Bereich "X" entspricht der Nebenströmung.
    [0034] 4 ist eine schematischeExplosionsansicht der Schaufel fürdas Francis-Turbinenlaufwerk gemäß der vorliegendenAusführungsform,das schematisch ein Simulationsergebnis einer Druckverteilung aufder Saugseite währenddes Turbinenbetriebs zeigt. In 4 bezeichnengleiche Bezugsziffern die entsprechenden Merkmale wie in den 1 und 2. Eine Bezugsziffer SFL bezeichnet eineStromlinie (Linie der Strömung), undeine Bezugsziffer EP bezeichnet eine konstante Drucklinie. Die Führungskante 24 derLaufradschaufel 21 ist als ein Bogen 27 mit einemlokalen Maximumpunkt M der Führungskante 24 ausgebildet.
    [0035] Wiein 4 gezeigt ist, istanders als in 3 keineDruckverzerrung nahe der Führungskante 13 desbandseitigen Fußpunktes 14 vorhanden.Das bedeutet, dass kaum eine Strömungin einer anderen Richtung als der Stromlinie SFL erzeugt wird, wodurchdie Nebenströmungreduziert wird. Eine Reduzierung der Nebenströmung an der Saugseite kanndie hydrodynamische Effizienz des Francis-Turbinenlaufrades verbessern.Insbesondere kann aufgrund der Tatsache, dass an der Saugseite 30 keineDruckverzerrung auftritt, die Turbineneffizienz im Teillastbetriebder Francis-Turbine verbessert werden.
    [0036] Beider in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformist die gerade Linie SL, die den Bandverbindungspunkt 25 undden Kranzverbindungspunkt 26 miteinander verbindet, parallelzum Drehmittelpunkt CL der Drehwelle (Drehachse) 28 angeordnet.Die Linie SL muss nicht unbedingt parallel verlaufen. Dies kannallerdings in Abhängigkeitvon einer Bedingung, wie beispielsweise einem Grad der Turbinenkapazität (Leistung), bevorzugtsein. 5 stellt eineModifikation der ersten Ausführungsformdar und zeigt den Fall, in dem die Linie SL nicht parallel zur Drehachseverläuft.In 5 bezeichnen gleicheBezugsziffern dieselben Bauteile wie in den 1 und 2.Hinsichtlich einer genaueren Beschreibung dieser Bauteile wird aufdie Ausführungen inBezug auf 1 und 2 verwiesen.
    [0037] Wiein 5 gezeigt ist, istbei dieser Modifikation die gerade Linie SL, die den Bandverbindungspunkt 25 undden Kranzverbindungspunkt 26 miteinander verbindet, nichtparallel zur Drehachse CL der Spindel (Drehwelle) 28 angeordnet.Bei einem derartigen Aufbau ist keine Verzerrung der Druckverteilungan der Saugseite 30 wie in 4 vorhanden,und die Erzeugung der Nebenströmungkann reduziert werden.
    [0038] Wiezuvor gezeigt, ist die Führungskante 24 derLaufradschaufel 21 bei dieser Ausführungsform als in Turbinenrichtungkonvexer Bogen 27 ausgebildet. An der zu diesem Bogen 27 ausgebildetenFührungskante 24 istder lokale Maximumpunkt M der Führungskante 24,an dem der Umfangsabstand in Turbinenrichtung von dem Bandverbindungspunkt 25 amgrößten ist,zwischen dem Bandverbindungspunkt 25 und dem Kranzverbindungspunkt 26 angeordnet.Die Führungskante 24 istin Bezug auf die gerade Linie SL, die den Bandverbindungspunkt 25 undden Kranzverbindungspunkt 26 miteinander verbindet, vomBandverbindungspunkt 25 in Turbinenrichtung geneigt.
    [0039] Wiein Bezug auf die 1, 2, 4 und 5 beschriebenwurde, ist der lokale Maximumpunkt M der Führungskante 24 zwischendem Bandverbindungspunkt 25 und dem Kranzverbindungspunkt 26 angeordnet. Nachfolgendwird die Berücksichtigungeines hydrodynamischen Verlustes hinsichtlich einer Position ineiner vertikalen Richtung des lokalen Maximumpunktes M, der demz-Wert des lokalen Maximumpunktes M in dem zylindrischen Koordinatensystementspricht, genauer beschrieben.
    [0040] 6 ist ein Graph, der denVerlust des Francis-Turbinenlaufrades 20 inRelation zu einer vertikalen Position des lokalen MaximumpunktesM der Führungskante 24 zeigt.Die horizontale Achse bezeichnet eine vertikale Position P(z) deslokalen Maximumpunktes M, währenddie vertikale Achse den hydrodynamischen Verlust bezeichnet.
    [0041] Auchin 6 ist das zylindrischeKoordinatensystem eingeführt.Ein Ursprung der z-Achse, an dem der Wert von z gleich Null ist,ist am Bandverbindungspunkt 25 definiert, und der z-Wertdes Kranzverbindungspunktes 26 ist als B definiert.
    [0042] Wiein 6 gezeigt ist, liegtdie Position P(z) des lokalen Maximumpunktes M der Führungskantevorzugsweise in einem Bereich von 0,25B ≤ P(z) ≤ 0,75B,umden hydrodynamischen Verlust des Francis-Turbinenlaufrades 20 zureduzieren.
    [0043] Nachfolgendwird eine Umfangsposition des lokalen Maximumpunktes M der Führungskantein dem ähnlichenzylindrischen Koordinatensystem beschrieben.
    [0044] 7 ist eine aufgeweiteteDraufsicht der in 2 dargestelltenDraufsicht einer einzelnen Laufradschaufel 21. Eine Rückflankeder Laufradschaufel ist in 7 nichtdargestellt. In 7 bezeichnetein Bezugszeichen 0 die Drehachse CL der Drehwelle (Spindel) 28,und ein Bezugszeichen Q eine Position des Bandverbindungspunktes 25 derFührungskante 24.Gleiche Bauteile wie in 2 sindmit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und nachfolgend nicht erneutbeschrieben. Obwohl die gerade Linie SL in 2 parallel zum Drehmittelpunkt CL verläuft, ist 7 nicht darauf beschränkt.
    [0045] In 7 liegt ein Ursprung imPunkt CL (auch als 0 bezeichnet). Die Turbinenrichtungist als positive Richtung von θ definiert.Der Ursprung von θ,also diejenige Richtung, in der θ gleichNull ist, ist in einer Richtung des Punktes Q des Bandverbindungspunktes 25 definiert.Der Wert von θ amlokalen Maximumpunkt M der Führungskante 24 istals θ1 bezeichnet.
    [0046] 8 ist ein Graph, der denVerlust des Laufrades 20 in Bezug auf den Wert von θ1 zeigt, also in Bezug auf die Umfangspositiondes lokalen Maximumpunktes M der Führungskante 24. Mitanderen Worten entspricht θ1 einem Winkel zwischen einer Linie 0Q undeiner Linie 0M, der in einer Ebene senkrecht zur Drehachse CL definiertwerden kann. In 8 entsprichtZr der Anzahl der in 1, 2 oder 5 dargestellten Schaufeln 21.
    [0047] Wiein 8 gezeigt ist, liegt θ1, das an einer Position Q des Bandverbindungspunktes 25 denWert 0 einnimmt, vorzugsweise im Bereich von
    [0048] Wiebereits erwähnt,muss die gerade Linie SL, die den Bandverbindungspunkt 25 undden Kranzverbindungspunkt 26 miteinander verbindet, nichtparallel zur Drehachse CL der Spindel (der Drehwelle) 28 verlaufen,wie in 5 gezeigt ist,wobei die Wirkung einer Veränderungder geraden Linie SL nachfolgend beschrieben ist.
    [0049] 9 ist eine erweiterte Draufsichtder in 2 dargestelltenDraufsicht einer einzelnen Laufradschaufel 21. Die Rückflankeder Laufradschaufel ist in 9 nichtdargestellt. In 9 bezeichnetdas Bezugszeichen 0 die Drehachse CL der Drehwelle (Spindel) 28.Q bezeichnet eine Position des Bandverbindungspunktes 25 derFührungskante 24.R bezeichnet eine Position des Kranzverbindungspunktes 26 derFührungskante 24.Gleiche Bauteile wie in 2 sindmit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und nicht weiter beschrieben.Obwohl die gerade Linie SL in 2 parallelzum Drehmittelpunkt CL verläuft,ist 9 nicht darauf beschränkt.
    [0050] In 9 ist ein Ursprung im PunktCL (auch als 0 bezeichnet) definiert. Die Turbinenrichtungist als positive Richtung von θ definiert.Der Ursprung von θ,also diejenige Richtung, in der θ gleichNull ist, ist in einer Richtung des Punktes Q des Bandverbindungspunktes 25 definiert.Der Wert von θ imPunkt R, der dem Kranzverbindungspunkt 26 der Führungskante 24 entspricht,ist als θ2 bezeichnet.
    [0051] 10 ist ein Graph, der denVerlust des Laufrades 20 in Bezug auf den Wert von θ2 zeigt, also in Bezug auf die Umfangspositiondes Kranzverbindungspunktes 26 der Führungskante 24. Mitanderen Worten entspricht θ2 einem Winkel zwischen einer Linie 0Q undeiner Linie 0R, der in der Ebene senkrecht zur Drehachse CL definiertwerden kann. In 10 bezeichnetZr die Anzahl der in 1, 2 oder 5 dargestellten Schaufeln 21.
    [0052] Wiein 10 gezeigt ist, liegt θ2, das an der Position Q des Bandverbindungspunktes 25 denWert 0 einnimmt, vorzugsweise in einem Bereich von
    [0053] Wiezuvor beschrieben, befindet sich bei dieser Ausführungsform der lokale MaximumpunktM der Führungskante 24 zwischendem Bandverbindungspunkt 25 und dem Kranzverbindungspunkt 26.Somit gilt fürdie Umfangsposition θ1 des lokalen Maximumpunktes M und die Umfangsposition θ2 des Punktes R, der dem Kranzverbindungspunkt 26 entspricht,in Bezug auf die 9 und 10 im Wesentlichen die Beziehung θ1 > θ2.
    [0054] Jedochkann die folgende Ausführungsformselbst in demjenigen Fall angewendet werden, in dem θ1 < θ2.
    [0055] Eineweitere Modifikation der Ausführungsform,die in dem oben genannten Fall verwendet werden kann, ist nachfolgendunter Bezugnahme auf 11 beschrieben.
    [0056] 11 ist eine Seitenansichtdes Francis-Turbinenlaufrades, betrachtet von einer Außenumfangsseite desLaufrades. In 11 sindgleiche Bauteile, die in den 1, 2, 4 und 5 dargestelltsind, mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet und nachfolgend nichtweiter beschrieben.
    [0057] Beidieser Modifikation befindet sich ein lokaler Maximumpunkt M aufder Führungskante 24 der Schaufel 21 zwischendem Bandverbindungspunkt 25 und dem Kranzverbindungspunkt 26.Bei dem lokalen Maximumpunkt M der Führungskante 24 handeltes sich um denjenigen Punkt, an dem der Umfangsabstand von dem Bandverbindungspunkt 25 inTurbinenrichtung maximal ist. Ferner ist ein lokaler MinimumpunktSM1 der Führungskanteauf der Seite des Kranzes 22 des lokalen MaximumpunktesM auf der Führungskante 24 vorhanden.Bei dem lokalen Minimumpunkt SM handelt es sich um denjenigen Punkt,an dem der Umfangsabstand vom Bandverbindungspunkt 25 inTurbinenrichtung minimal ist. Das zylindrische Koordinatensystem kannbei der vorliegenden Modifikation derart eingeführt werden, dass (a) der Drehmittelpunkt (Drehachse) CL der Drehwelle 28 alsz-Achse definiert ist, wobei die Seite des Kranzes 22 positivist, und (b) eine positive Richtung von θ in Turbinenrichtung weist,also in einer Drehrichtung im Turbinenbetrieb.
    [0058] DieFührungskante 24 istbei dieser Ausführungsformauf eine zylindrische Oberflächebei festem Radius r projiziert, wobei das projizierte Profil derFührungskante 24 vomBandverbindungspunkt 25 in einer Drehrichtung von θ konvexausgebildet ist und einen Wendepunkt relativ zu θ zwischen dem lokalen Maximumpunkt Mder Führungskante 24 unddem lokalen Minimumpunkt SM1 der Führungskante 24 aufweist.Der projizierte Bogen der Führungskante 24 istals Krümmungausgebildet, die in Drehrichtung von dem Wendepunkt zur Seite desKranzes 22 konkav ist. Mit anderen Worten genügt ein projiziertesProfil der Führungskanteder Gleichung
    [0059] Beieinem derartigen Aufbau kann ein Umfangsabstand des Kranzverbindungspunktes 26 (auchmit dem Bezugszeichen R bezeichnet) größer als der Umfangsabstanddes lokalen Maximumpunktes M der Führungskante gewählt werden.Mit Hilfe dieser Modifikation wird die Druckverzerrung an der Ansaugseite 30 der Schaufel 21 verhindert,wie bei der in 4 dargestelltenSchaufel 21, wodurch die Nebenströmung reduziert wird. Der Reduzierungder Nebenströmungan der Ansaugseite kann die hydrodynamische Effizienz des Francis-Turbinenlaufradesverbessern.
    [0060] WeitereAusführungsformender vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann anhand der Beschreibungund Ausführungder vorliegenden offenbarten Erfindung deutlich.
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] Francis-Turbine mit: einer Drehwelle; einemKranz, der sich zusammen mit der Drehwelle dreht; mehrerenSchaufeln, die entlang des Umfangs an dem Kranz befestigt sind,wobei jede der Schaufeln ein äußeres Endeals Führungskanteaufweist; einem Band, das durch die Schaufeln koaxial mit demKranz verbunden ist; und einem lokalen Maximumpunkt, der zwischendem Kranz und dem Band an wenigstens einer der Führungskanten vorhanden ist;wobei die Drehwelle, der Kranz, die Schaufeln und das Bandals Ganzes durch Wasser angetrieben werden und sich während einesTurbinenbetriebs in Turbinenrichtung drehen, die Führungskantedort einen Bandverbindungspunkt aufweist, wo das Band und die Führungskantemiteinander verbunden sind, die Führungskante von dem Bandverbindungspunktin Turbinenrichtung geneigt ist, und ein Umfangsabstand inder Turbinenrichtung zwischen dem Bandverbindungspunkt und der Führungskantean dem lokalen Maximumpunkt am größten ist.
    [2] Francis-Turbine nach Anspruch 1, die ferner aufweist: einenlokalen Minimumpunkt an der Führungskante,an welcher der lokale Maximumpunkt vorhanden ist; wobei derlokale Minimumpunkt auf der Seite des Kranzes des lokalen Maximumpunktesangeordnet ist.
    [3] Francis-Turbine nach Anspruch 1, wobei ein AbstandP zwischen dem Band und dem lokalen Maximumpunkt entlang einer Richtungeiner Mittelachse der Drehwelle unter Verwendung eines AbstandsB zwischen dem Band und dem Kranz entlang der Richtung der Mittelachseder Drehwelle ausgedrücktwerden kann als (a) 0,25B < P < 0,75B.
    [4] Francis-Turbine nach Anspruch 1, wobei Zr einer Anzahlvon Schaufeln entspricht, ein Winkel θ1 ineiner senkrechten Ebene, die sich senkrecht zu einer Mittelachseder Drehwelle erstreckt, mittels einer Linie von der Mittelachsezum Bandverbindungspunkt und einer Linie von der Mittelachse zudem lokalen Maximumpunkt definierbar ist, und der Winkel θ1 in einem Bereich von
    [5] Francis-Turbine nach Anspruch 1, wobei die Führungskantedort einen Kranzverbindungspunkt aufweist, wo der Kranz und dieFührungskantemiteinander verbunden sind, Zr einer Anzahl von Schaufeln entspricht, einWinkel θ2 in einer senkrechten Ebene, die sich senkrechtzu einer Mittelachse der Drehwelle erstreckt, mittels einer Linievon der Mittelachse zum Bandverbindungspunkt und einer Linie vonder Mittelachse zum Kranzverbindungspunkt definierbar ist, und derWinkel θ2 in einem Bereich von
    [6] Francis-Turbinenschaufel, die um eine Drehachse drehbarist, mit einem Kranz, der um die Drehachse drehbar ist; mehrerenSchaufeln, die entlang des Umfangs an dem Kranz angeordnet sind,wobei jede Schaufel ein äußeres Endeals Führungskanteaufweist; einem Band, das mittels Schaufeln koaxial mit demKranz verbunden ist; und einem lokalen Maximumpunkt, der zwischendem Kranz und dem Band an wenigstens einer der Führungskanten vorgesehen ist;wobei der Kranz, die Schaufeln und das Band als Ganzes durchWasser angetrieben werden und sich während eines Turbinenbetriebsin einer Turbinenrichtung drehen, ein kreisförmiges,zylindrisches Koordinatensystem durch die Parameter r, θ und z derarteinführbarist, dass (a) ein Ursprung auf der Drehachse an einer Positiondefiniert ist, an der die Führungskanteund das Band miteinander verbunden sind, (b) eine positiveRichtung von θ inTurbinenrichtung definiert ist, und (c) eine positive Richtungvon z in einer Richtung des Kranzes definiert ist, wobei einprojiziertes Profil der Führungskanteauf einer zylindrischen Oberfläche,die durch das zylindrische Koordinatensystem unter Verwendung von θ und z ausgedrückt ist,den nachfolgenden Bedingungen genügt:
    [7] Francis-Turbinen-Laufrad nach Anspruch 6, das ferneraufweist einen lokalen Minimumpunkt auf der Führungskante,an der der lokale Maximumpunkt vorhanden ist; wobei das projizierteProfil der Führungskanteauf der zylindrischen Oberfläche,die durch das zylindrische Koordinatensystem unter Verwendung von θ und z ausgedrückt ist,den Bedingungen genügt:
    [8] Francis-Turbinen-Laufrad nach Anspruch 6, wobei einWert von z an dem Kranz B ist, und ein Wert von z an dem lokalenMaximumpunkt im Bereich von (f) 0,25B < z < 0,75B liegt.
    [9] Francis-Turbinen-Laufrad nach Anspruch 6, wobei Zreiner Anzahl von Schaufeln entspricht, ein Ursprung von θ an einemPunkt definiert ist, an dem die Führungskante und das Band miteinanderverbunden sind, und ein Wert von θ an dem lokalen Maximumpunktin einem Bereich von
    [10] Francis-Turbinen-Laufrad nach Anspruch 6, wobei Zreiner Anzahl von Schaufeln entspricht, ein Ursprung von θ an einemPunkt definiert ist, an dem die Führungskante und das Band miteinanderverbunden sind, und ein Wert von θ an einem Punkt, an dem dieFührungskanteund der Kranz miteinander verbunden sind, in einem Bereich von
    类似技术:
    公开号 | 公开日 | 专利标题
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    BRPI0401969B1|2013-07-23|
    CN100398810C|2008-07-02|
    CN1573089A|2005-02-02|
    BRPI0401969A|2005-01-25|
    JP4094495B2|2008-06-04|
    NO332511B1|2012-10-08|
    US7128534B2|2006-10-31|
    NO20042756L|2004-12-17|
    JP2005009321A|2005-01-13|
    US20050013691A1|2005-01-20|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-02-17| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2017-01-16| R016| Response to examination communication|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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