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    • 专利摘要:
    Es wird eine Francisturbine mit einer verbesserten Form der Schaufeln bereitgestellt, welche an der Oberfläche der Schaufeln erfolgte Kavitationen vermindern kann oder die Sekundärströmung um die Schaufeln herum vermindern kann. Eine Francisturbine umfasst eine Drehwelle, eine Kappe, eine Mehrzahl von Schaufeln und ein Band. Die Kappe kann mit der Drehwelle rotieren. Die Schaufeln sind in Umfangsrichtung an der Kappe angeordnet, und jede von diesen umfasst ein inneres Ende als nachlaufenden Rand. Das Band ist koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppelt. Die Drehwelle, die Kappe, die Schaufeln und das Band rotieren als Ganzes in einer Turbineneinrichtung während eines Turbinenbetriebes. Ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes auf einer senkrechten Ebene, die senkrecht zu einer Mittelachse der Drehwelle ist, ist zumindest auf der Kappenseite zu einer der Turbineneinrichtung entgegengesetzten Richtung gekrümmt.
    公开号:DE102004029109A1
    申请号:DE200410029109
    申请日:2004-06-16
    公开日:2005-02-03
    发明作者:Yasuyuki Enomoto；Sadao Kurosawa；Takanori Nakamura；Kaneo Sugishita；Toshiaki Suzuki
    申请人:Toshiba Corp；
    IPC主号:B63H1-16
    专利说明:
    [0001] DieseErfindung bezieht sich auf eine Francisturbine, die für eine hydraulischeTurbine oder eine Pumpe verwendet wird, und insbesondere auf eineFrancisturbine, die Schaufeln mit einer verbesserten Form an einemnachlaufenden Rand besitzt.
    [0002] EineFrancisturbine wird in einer hydraulischen Maschine, einschließlich einerumkehrbaren Pumpenturbine, zur Stromerzeugung verwendet.
    [0003] EinherkömmlichesLaufrad einer Francisturbine ist in dem US-Patent 4,479,757 beschrieben. Dieses herkömmlicheLaufrad einer Francisturbine umfasst Schaufeln, deren Einlassform(Form des vorlaufenden Randes) zu einer Richtung gekrümmt ist,welche einer Drehrichtung eines Turbinenbetriebes von einer Bandseitezu einer Kappenseite entgegengesetzt ist.
    [0004] Einweiteres herkömmlichesLaufrad einer Francisturbine ist in dem US-Patent 6,135,716 beschrieben.Dieses herkömmlicheLaufrad einer Francisturbine umfasst Schaufeln, deren Einlassform(Form eines vorlaufenden Randes) zu einer Drehrichtung eines Turbinenbetriebesvon einer Bandseite zu einer Kappenseite gekrümmt ist. Dieses herkömmlicheLaufrad einer Francisturbine umfasst ebenso Schaufeln, deren Auslassform(Form eines nachlaufenden Randes) zu einer Drehrichtung einer Turbinenrichtungvon einer Kappenseite zu einer Bandseite gekrümmt ist.
    [0005] Ebensoist eine herkömmliche,umkehrbare Pumpenturbine in der japanischen Offenlegungsschrift (Kokai)Nr. 8-312517 beschrieben. Ein Laufrad dieser herkömmlichen,umkehrbaren Pumpenturbine besitzt Schaufeln, deren nachlaufenderRand zu einer Richtung gekrümmtist, welche einer Drehrichtung des Turbinengetriebes von einem mittlerenPunkt des nachlaufenden Randes zu einer Bandseite entgegengesetztist.
    [0006] Eineweitere, herkömmlicheumkehrbare Turbine ist in der japanischen Offenlegungsschrift (Kokai)Nr. 2000-136766 beschrieben. Ein Laufrad dieser herkömmlichen,umkehrbaren Pumpenturbine besitzt Schaufeln, deren nachlaufenderRand derart gekrümmtist, dass der nachlaufende Rand in einer Drehrichtung des Turbinenbetriebskonvex ausgeformt ist.
    [0007] DieseFormen der Schaufeln herkömmlicherFrancisturbinen wurden entwickelt, um die hydraulische Effizienzzu verbessern oder Kavitationen zu vermindern. Es gibt jedoch weiterhinRaum zur Entwicklung der Form der Schaufeln, welche die Effizienzverbessert, und zwar aufgrund der jüngsten Entwicklung der Technologiein einem Gebiet wie der computerbasierten Fluiddynamik.
    [0008] Insbesondereist es bekannt, dass eine Sekundärströmung, dieeine Strömungist, die nicht entlang einer Strömungslinieverläuft,eine Druckverteilung an den Schaufeln stört und zu Verlusten bei derhydraulischen Effizienz führt.
    [0009] Dementsprechendist es ein Vorteil einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung,eine Francisturbine mit einer verbesserten Form der Schaufeln bereitzustellen,welche Kavitationen vermindern kann, die an der Oberfläche derSchaufeln erzeugt werden, oder die Sekundärströmung um die Schaufeln vermindernkann.
    [0010] Umden obigen Vorteil zu erzielen, wird gemäß einer Zielrichtung der vorliegendenErfindung eine Francisturbine bereitgestellt, die eine Drehwelle,eine Kappe, welche mit der Drehwelle rotieren kann, eine Mehrzahlvon in Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, vondenen jede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist, undein koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band aufweist,wobei die Drehwelle, die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzesdurch Wasser angetrieben sind und während eines Turbinenbetriebesin einer Turbinenrichtung rotieren, wobei ein projiziertes Profildes nachlaufenden Randes auf eine senkrechte Ebene, die senkrechtzu einer Mittelachse der Drehwelle ist, zu einer Richtung gekrümmt ist,welche zumindest auf der Kappenseite der Turbinenrichtung entgegengesetztist.
    [0011] Fernerwird gemäß einerweiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ein Laufrad einerFrancisturbine bereitgestellt, das um eine Drehachse rotierbar ist,umfassend eine Kappe, die um die Drehachse rotieren kann, eine Mehrzahlvon in Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, vondenen jede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist, undein koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band,wobei die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasserangetrieben sind und währendeines Turbinenbetriebes in einer Turbinenrichtung rotieren, wobeiein durch Parameter r und θ definiertesPolarkoordinatensystem auf einer senkrechten Ebene, die senkrechtzu der Drehachse ist, derart eingeführt werden kann, dass (a) derUrsprung auf die Drehachse eingestellt ist, (b) eine positive Richtungvon θ aufdie Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei das projizierte Profildes nachlaufenden Randes auf die senkrechte Ebene in dem Polarkoordinatensystemzumindest auf der Kappenseite ausgedrückt ist als
    [0012] WeitereMerkmale, Zielrichtungen und Vorteile der vorliegenden Erfindungwerden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugterAusführungsformenersichtlich werden, betrachtet zusammen mit den begleitenden Figuren.
    [0013] 1 ist eine Draufsicht einesLaufrades einer Francisturbine gemäß einer ersten Ausführungsform derErfindung, betrachtet von einer Auslassseite des Laufrades.
    [0014] 2 ist ein Druckverteilungsdiagrammum eine Oberflächeeiner Schaufel nahe eines Mittelpunkts einer Strömungslinie in dem Turbinenbetriebgemäß der erstenAusführungsformder Erfindung.
    [0015] 3 ist eine Draufsicht einesLaufrades einer Francisturbine gemäß der Ausführungsform, betrachtet vonder Auslassseite des Laufrades.
    [0016] 4 ist ein charakteristischesDiagramm, das eine Beziehung zwischen dem Minimalwert des Drucksauf der Schaufeloberflächeund eines θ-Wertsan dem lokalen Minimalpunkt auf dem projizierten Profil des nachlaufendenRandes zeigt.
    [0017] 5 ist eine Draufsicht derSchaufeln, betrachtet von einer Auslassseite der Turbine, wobeidas Band von dem Laufrad entfernt ist.
    [0018] 6 ist eine schematischeExplosionsansicht einer herkömmlichenSchaufel fürein Laufrad einer Francisturbine, die schematisch ein Ergebnis einerSimulation einer Druckverteilung auf der Saugoberfläche während desTurbinenbetriebes zeigt.
    [0019] 7 ist eine schematischeExplosionsansicht der Schaufel fürdas Laufrad einer Francisturbine gemäß dieser Ausführungsform,die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einer Druckverteilungan der Saugoberflächewährenddes Turbinenbetriebes zeigt.
    [0020] 8 ist eine Draufsicht derSchaufel, betrachtet von einer Auslassseite der Turbine, wobei dasBand von dem Laufrad entfernt ist.
    [0021] 9 ist ein charakteristischesDiagramm, das eine Beziehung zwischen θb, θc und dem hydraulischen Verlust zeigt.
    [0022] Eineerste Ausführungsformgemäß der vorliegendenErfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 4 erläutert.
    [0023] 1 ist eine Draufsicht einesLaufrades 5 füreine Francisturbine, betrachtet von einer Auslassseite des Laufrades,gemäß einerersten Ausführungsformder Erfindung.
    [0024] Inanderen Worten zeigt 1 projizierteProfile des Auslasses des Laufrades für eine Francisturbine auf einerEbene, die senkrecht zu einer Drehachse des Laufrades für eine Francisturbineist. Eine Mehrzahl von Laufradschaufeln (Laufradflügeln) 6 istin einem Umfangsfeld an einer Kappe 7 vorgesehen. EineKopfseite der Laufradschaufel 6 ist durch die Kappe 7 aneinem Kappenrand 13 (der auch als Kappenverbindungspunktbezeichnet wird) gelagert. Eine untere Seite der Laufradschaufel 6 istdurch ein Band an einem Bandrand 14 (der auch als Bandverbindungspunktbezeichnet wird) gelagert. 1 zeigtdas Laufrad 5 füreine Francisturbine, an welchem acht Laufradschaufeln 6 vorgesehenesind. Somit ist das Band 8 koaxial mit der Kappe 7 durchSchaufeln 6 gekoppelt, und eine Drehwelle (nicht gezeigt)ist im Mittelpunkt der Kappe 7 verbunden. Das Laufrad 5 für eine Francisturbinewird angetrieben und dreht um eine Drehachse, welche den Mittelpunktder Kappe 7 entspricht, in welchem die Drehwelle 28 verbundenist, und zwar währenddes Turbinengetriebes in einer Turbinenrichtung. Nachfolgend wirdeine Drehrichtung währenddes Turbinenbetriebes als Turbinenrichtung bezeichnet.
    [0025] Eininneres Ende der Schaufel 6 wird als nachlaufender Randbezeichnet, da Wasser von den inneren Enden der Schaufeln 6 während desTurbinenbetriebes ausströmt.Wenn der nachlaufende Rand 12 der Schaufel 6 aufeine zu der Drehachse senkrechte Ebene projiziert wird, ist dernachlaufende Rand 12 derart ausgeformt, um auf der projiziertenEbene in Bezug auf die Turbinenrichtung konkav zu sein. In 1 ist die Turbinenrichtungentgegen des Urzeigersinns gezeigt, und der nachlaufende Rand 12 derLaufradschaufel 6 ist konkav nach links ausgeformt. Inanderen Worten ist ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes 12 aufder Ebene zu einer der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtunggekrümmtund derart ausgeformt, um konvex in Bezug auf die der Turbinenrichtungentgegengesetzte Richtung zu sein. Da eine Schaufellänge naheeines radialen Mittelpunkts der Schaufel 6 verglichen miteiner herkömmlichenlänglichist, wird daher eine an der Schaufeloberfläche pro Längeneinheit erzeugte Druckdifferenzgering. Daher wird der Druck auf einer Saugoberfläche derSchaufel 6 vergleichsweise groß, und dementsprechend kanndie Erzeugung einer Kavitation begrenzt werden.
    [0026] 2 ist ein Druckverteilungsdiagrammum eine Oberflächeder Laufradschaufel 6 nahe eines Mittelpunkts einer Strömungslinieim Turbinenbetrieb gemäß der erstenAusführungsformder Erfindung. Eine durchgezogene Linie ist eine herkömmlicheDruckverteilungskurve S1; und eine gestrichelte Linie ist eine DruckverteilungskurveS2 gemäß der erstenAusführungsformder Erfindung. Die horizontale Achse gibt eine Position entlangder Schaufel von einem vorlaufenden Rand zu einem nachlaufendenRand an. Wie in 2 gezeigt, istder Unterschied des Schaufeldrucks zwischen einer Druckoberfläche undeiner Saugoberflächeder Schaufel verglichen mit der herkömmlichen DruckverteilungskurveS1 vermindert. Der Druck auf der saugseitigen Oberfläche derSchaufel ist vergleichsweise hoch, und der Minimalwert des Drucksauf der Schaufeloberfläche istnicht geringer als ein Sättigungsdampfdruck,bei welchem die Kavitation erzeugt wird. Dies zeigt, dass kaum Kavitationin dem Laufrad 5 füreine Francisturbine gemäß der Ausführungsformerzeugt wird, und zwar selbst bei einem Betriebspunkt mit hoherStrömung,bei welchem die Strömungsgeschwindigkeitin dem Laufrad 5 für eineFrancisturbine ansteigt und der Druck auf der Laufradschaufeloberfläche vergleichsweisevermindert ist.
    [0027] Wieoben beschrieben, wird gemäß der erstenAusführungsformder Erfindung kaum Kavitation verglichen mit der herkömmlichenerzeugt, und zwar selbst in einem Turbinenbetrieb mit einer großen Strömungsrate.Daher kann die Hydraulische Effizienz verbessert werden. Oder siekann in einem breiten Betriebsbereich betrieben werden.
    [0028] Dasprojizierte Profil des nachlaufenden Randes 12, das inder in 1 gezeigten Ausführungsform derartausgeformt ist, um in der der Turbinenrichtung entgegengesetztenRichtung konvex zu sein, wird nachfolgend weiter erläutert. 3 ist eine Draufsicht einesLaufrades 5 füreine Francisturbine gemäß der Ausführungsform,betrachtet von der Auslassseite des Laufrades. In 3 werden dieselben Bezugszeichen verwendet,um entsprechende Merkmale wie in 1 zubezeichnen. Eine ausführlicheBeschreibung wird fürdie bereits in 1 angegebenenBauteile weggelassen.
    [0029] Da 3 projizierte Profile desAuslasses des Laufrades 5 für eine Francisturbine auf einerEbene, die senkrecht zu der Drehachse des Laufrades 5 für eine Francisturbineist, zeigt, kann ein Polarkoordinatensystem unter Einsatz der Parameterr und θ derarteingeführtwerden, dass: (a) ein Ursprung als Mittelachseder Drehwelle definiert ist, welcher dem Mittelpunkt der Kappe 7 entspricht, (b) eine positive Richtung von θ, das einen Winkel angibt,als Turbinenrichtung definiert ist.
    [0030] UnterEinsatz dieses Polarkoordinatensystems kann das projizierte Profildes nachlaufenden Randes 12 auf der senkrechten Ebene alseine Funktion von r und θ ausgedrückt werden,wobei r einen Abstand vom Mittelpunkt der Kappe 7 angibt.Da die positive Richtung von θ aufdie Turbinenrichtung eingestellt ist, ist die Gleichung erfüllt:
    [0031] Wenndarüberhinaus eine Bezugslinie des Winkels θ, die einen Ursprung von θ (θ = Null)angibt, als gerade Linie (radiale gerade Linie) definiert wird,welche den Mittelpunkt der Kappe 7 mit dem Kappenverbindungspunkt 13 verbindet,erfülltdas projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 dieGleichung θ ≤ 0aufder Seite der Kappe 7.
    [0032] Indieser Ausführungsformbesitzt das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 derSchaufel 6 einen gleichen Winkel θ, der gleich 0 ist, und zwarsowohl an dem inneren Umfangsrand (Bandverbindungsrand 14)als auch an dem äußeren Umfangsrand(Kappenverbindungsrand 13). Dies bedeutet, dass der Bandverbindungspunkt 14 aufder radialen geraden Linie vorhanden ist, welche den Mittelpunktder Kappe 7 und den Kappenverbindungspunkt 13 verbindet.In diesem Falle erfülltdas projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 dieGleichung: θ ≤ 0vondem Kappenverbindungspunkt 13 zu dem Bandverbindungspunkt 14.
    [0033] Dadas projizierte Profil des nachlaufenden Randes derart ausgeformtist, um in der der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung konvexzu sein, ist ein Punkt, der den Minimalwert von θ auf dem projizierten Profildes nachlaufenden Randes 12 besitzt, ein lokaler Minimalpunkt,an welchem der Wert von θ lokalminimiert ist. In anderen Worten erfüllt die Funktion des projiziertenProfils die Gleichung:
    [0034] 4 ist ein charakteristischesDiagram, das eine Beziehung zwischen dem Minimalwert des Drucks aufder Schaufeloberflächeund einem θ-Wert(der als θminbezeichnet wird) an dem lokalen Minimalpunkt auf dem projiziertenProfil des nachlaufenden Randes 12 zeigt. In 11 gibt das Symbol Zr die Anzahl von Schaufeln 6 an,die in 1 und 3 gezeigt sind.
    [0035] Wiein 4 gezeigt, da θmin in einernegativen Richtung ansteigt, nimmt der Minimalwert des Drucks aufder Schaufeloberflächezu. Daher liegt ein Minimalwert von θ entlang des projizierten Profils,welcher den Wert von θ andem lokalen Minimalpunkt entspricht, bevorzugt in einem Bereichvon:
    [0036] Gemäß diesemwird der Minimalwert des Drucks auf der Schaufeloberfläche groß, sodassder Druck nicht geringer als der Verdickungsdampfdruck wirken kann,bei welchem Kavitationen erzeugt werden. In anderen Worten kanndie Francisturbine in einem Bereich betrieben werden, in welchembei einer herkömmlichen FrancisturbineKavitationen auf der Schaufeloberfläche erzeugt werden.
    [0037] Einezweite Ausführungsformgemäß der Erfindungwird unter Bezugnahme auf 5 bis 9 erläutert.
    [0038] 5 ist eine Draufsicht derSchaufeln, betrachtet von einer Auslassseite der Turbine (Bandseite),wobei das Band von dem Laufrad entfernt ist. In 5 bezeichnet Bezugszeichen 20 einLaufrad füreine Francisturbine. Bezugszeichen 21 bezeichnet eine Schaufel,Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Kappe. Wie in der erstenAusführungsformumfasst das Laufrad 20 für eine Francisturbine eineKappe 22, eine Mehrzahl von Schaufeln 21 und einBand (nicht gezeigt). Bezugszeichen 24 bezeichnet einenvorlaufenden Rand, der ein äußeres Endeder Schaufel 21 ist, in welches Wasser während desTurbinenbetriebes kommt. Bezugszeichen 31 bezeichnet einennachlaufenden Rand, der ein inneres Ende der Schaufel 21 ist,wo Wasser währenddes Turbinenbetriebes ausströmt.Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Drehwelle (Spindel), diemit der Kappe 22 verbunden ist. Ein Drehmittelpunkt derDrehwelle 28 wird als O (auch als CL bezeichnet) bezeichnet,was einer Drehachse entspricht. Wie bei der ersten Ausführungsformzeigt 5 projizierteProfile der Schaufeln 21 des Laufrades 20 für eine Francisturbineauf einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse des Laufrades 20 für eine Francisturbineist. Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Bandverbindungspunkt,an welchem das Band und der nachlaufende Rand 31 verbundensind, währendBezugszeichen 26 einen Kappenverbindungspunkt bezeichnet,an welchem die Kappe 22 und der nachlaufende Rand 31 verbundensind.
    [0039] Dasprojizierte Profil des nachlaufenden Randes 31 der Schaufel 21 aufder zu der Drehachse CL der Spindel (Drehwelle) 28 senkrechtenEbene ist derart ausgeformt, um in der Turbinenrichtung von demKappenverbindungspunkt 26 (innere Umfangsseite) eine konkaveGestalt zu besitzen, und ist nach Art einer Sigmoidkurve (S-Kurve)ausgeformt, die in der Turbinenrichtung zu dem Bandverbindungspunkt 25 (äußere Umfangsseite)konvex ist. In anderen Worten ist ein projiziertes Profil des nachlaufendenRandes 31 auf die Ebene zu einer der Turbinenrichtung entgegengesetztenRichtung gekrümmt,und ist derart ausgeformt, um in Bezug auf die der Turbinenrichtungentgegengesetzte Richtung auf der Seite der Kappe 22 (nahedes Kappenverbindungspunkts 26) konvex zu sein. Und dasprojiziert Profil ist zu der Turbinenrichtung gekrümmt undderart ausgeformt, um in Bezug auf die Turbinenrichtung auf derBandseite (nahe des Bandverbindungspunkts 25) konvex zusein. Der Bandverbindungspunkt 25 ist auf einer radialengeraden Linie vorhanden, welche die Drehachse CL und den Kappenverbindungspunkt 26 verbindet.In anderen Worten sind beide Enden des projizierten Profils desnachlaufenden Randes 31 auf der radialen geraden Liniegelegen.
    [0040] Indieser Ausführungsformkann ein Polarkoordinatensystem unter Einsatz der Parameter r und θ derarteingeführtwerden, dass: (a) ein Ursprung als MittelachseCL der Drehwelle 28 definiert ist, welche dem MittelpunktO entspricht, (b) eine positive Richtung von θ, was einen Winkel bedeutet,als Turbinenrichtung definiert ist.
    [0041] Dasprojizierte Profil des nachlaufenden Randes 31 der Schaufel 21 istderart ausgelegt, dass sie die Gleichung erfüllt:
    [0042] Somitist der nachlaufende Rand 31 als Ganzes nach Art der SigmoidkurveSC aufgebaut.
    [0043] 6 ist eine schematischeExplosionsansicht der herkömmlichenSchaufel fürdas Laufrad füreine Francisturbine, die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einerDruckverteilung auf der Saugoberfläche während des Turbinenbetriebeszeigt.
    [0044] In 6 ist Bezugszeichen 7 eineSchaufel, Bezugszeichen 18 ein nachlaufender Rand, Bezugszeichen 14 einBand (bandseitige Wurzel) und Bezugszeichen 15 eine Kappe(kappenseitige Wurzel). In 6 bezeichnetBezugszeichen SFL eine Strömungslinie(Linie der Strömung)und Bezugszeichen EP bezeichnet eine Linie konstanten Drucks. Beidieser herkömmlichenSchaufel 7 ist ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes 18 aufeine zu der Drehachse senkrechte Ebene als radiale grade Linie vonder Kappe 15 zu dem Band 14 ausgefahren.
    [0045] Wiein 6 gezeigt, ist dieDruckverteilung um die Region "X" gestört, wasbedeutet, dass eine Strömungzu der bandseitigen Wurzel 14 in der Region "X" erzeugt wird. Die Strömung zuder bandseitigen Wurzel 14 um die Region "X" entspricht einer Sekundärströmung. DerGrund fürdie Druckstörungum die Region "X" kann darin liegen,dass eine Druckdifferenz zwischen dem vorlaufenden Rand und demnachlaufenden Rand 18 entlang der Strömungslinie SFL zwischen derSeite des Bandes 14 und der Seite der Kappe 15 inkonsistent ist.In anderen Orten ist die Druckdifferenz entlang der StrömungslinieSFL auf der Seite der Kappe 15 größer als derjenige auf der Seitedes Bandes 14.
    [0046] ImAllgemeinen kann die Druckdifferenz zwischen dem vorlaufenden Randund dem nachlaufenden Rand durch Verkürzen der Länge der Schaufel vergrößert werden.In der in 5 gezeigtenAusführungsform istdie Längeder Schaufel 21 auf der Seite der Kappe 22 verlängert undauf der Seite des Bandes 23 verkürzt, verglichen mit der radialengeraden Linie, welche die Drehachse CL mit dem Kappenverbindungspunkt 26 verbindet.
    [0047] Dieskann die Druckdifferenz zwischen dem vorlaufenden Rand und dem nachlaufendenRand zwischen der Seite des Bandes 23 und der Seite derKappe 22 konsistent machen und dazu beitragen, die Druckstörung aufzulösen, diein der Region „X" von 6 zu sehen ist.
    [0048] 7 ist eine schematischeExplosionsansicht der Schaufel fürdas Laufrad füreine Francisturbine gemäß dieserAusführungsform,die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einer Druckverteilungder Saugoberflächewährenddes Turbinenbetriebes zeigt. In 7 werdendieselben Bezugszeichen verwendet, um entsprechende Merkmale wiein 5 zu bezeichnen.Bezugszeichen SFL bezeichnet eine Strömungslinie (Linie der Strömung), undBezugszeichen EP bezeichnet eine Linie konstanten Drucks. Der nachlaufende Rand 31 derLaufradschaufel 21 ist als Ganzes nach Art einer SigmoidkurveSC ausgelegt.
    [0049] Wiein 7 gezeigt, ist keineDruckstörungnahe des vorlaufenden Randes 13 der bandseitigen Wurzel 14 in 6 zu sehen. Diese bedeutet,dass kaum eine Strömungin einer von der StrömungslinieSFL abweichenden Richtung erzeugt wird, was zu einer Verminderungder Sekundärströmung führt. EineVerminderung der Sekundärströmung aufder Saugoberflächekann die hydraulische Effizienz des Laufrades für eine Francisturbine verbessern.Da insbesondere es keine Druckstörungauf der saugseitigen Oberflächegibt, kann die Turbineneffizienz in einem Teillastbetrieb der Francisturbineverbessert werden.
    [0050] Fernerwerden die Position des lokalen Minimalpunkts M1 unddes lokalen Minimalpunkts SM1 unter Einsatzvon 8 beschrieben. 8 ist eine Draufsicht derLaufradschaufel betrachtet von der Auslassseite der Turbine (Bandseite),wobei das Band wie in 5 entferntist. Dieselben Bauteile wie in 5 sindmit denselben Bezugszeichen, bezeichnet und werden nicht ausführlich beschrieben.
    [0051] 8 entspricht einer projiziertenZeichnung, in welcher der nachlaufende Rand 31 der Schaufel 21 aufdie zu dem Drehmittelpunkt CL der Spindel (Drehachse) 28 senkrechteEbene projiziert ist. Das Polarkoordinatensystem unter Einsatz derParameter r und θ kannebenso eingeführtwerden. Gleichzeitig ist der Wert von θ an dem Kappenverbindungspunkt 26 alsNull definiert, der Wert von θ andem lokalen Minimalpunkt M1 und dem lokalenMinimalpunkt SM1 ist als θc bzw. θb definiert. Bei dem projizierten Profildes nachlaufenden Randes 31 der Schaufel 21 istdie Umfangsposition des Kappenverbindungspunktes 26 gleichderjenigen des Bandverbindungspunktes 25. In anderen Wortenist θ desBandverbindungspunktes 25 und θ des Bandverbindungspunktes 26 gleichzueinander, und zwar gleich Null in diesem Falle. θb entspricht einem Winkel zwischen der LinieHL und einer Linie R1L, welche den DrehmittelpunktCL und den lokalen Maximalpunkt SM1 verbindet. θc entspricht einem Winkel zwischen der LinieHL und einer Linie R2L, welche den DrehmittelpunktCL und den lokalen Minimalpunkt M1 verbindet.
    [0052] 9 ist ein charakteristischesDiagramm, das eine Beziehung zwischen θb, θc und einem hydraulischen Verlust zeigt.Der hydraulische Verlust ist durch Kurvenverbindungspunkte mit gleichemVerlust bei den verschiedenen Werten von θc und θb veranschaulicht. Die vertikale Achse istder Wert von θb währenddie horizontale Achse der Wert von θb ist.Eine positive Richtung von θ (θc und θb) ist die Turbinenrichtung. In 9 ist Zr die Anzahl vonSchaufeln 21 des Laufrades 20, und die gestricheltenLinien sind Kurven konstanten Verlustes, die zeigen, dass der hydraulischeVerlust auf einer weiter innen gelegenen Seite geringer ist alsam Umfang. Wie in 9 gezeigt,könnenWerte von θc und θb bevorzugt
    [0053] Inanderen Worten, da der lokale Minimalpunkt M1 und der lokale MaximalpunktSM1 Punkte sind, welche die Gleichungen (1), (2), und die oben genannteGleichung (3) erfüllen,besitzt das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 31 zweiPunkte, die bevorzugt erfüllen:
    Weitere Ausführungsformder vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann anhand der Beschreibungund Ausführungder hier offenbarten Erfindung ersichtlich werden. Ferner kann einProfil eines vorlaufenden Randes, das in einer mit „Francisturbine" bezeichneten Anmeldungbeschrieben ist, welche am selben Tag wie diese Anmeldung eingereichtwurde, auf die oben genannte Ausführungsform zur weiteren Verbesserungder Leistung angewendet werden.
    权利要求:
    Claims (12)
    [1] Francisturbine, umfassend: eine Drehwelle; eineKappe, die mit der Drehwelle rotieren kann; eine Mehrzahl vonin Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, von denenjede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist; und einkoaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band; wobeidie Drehwelle, die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzesdurch Wasser angetrieben sind und in einer Turbinenrichtung während einesTurbinenbetriebes rotieren, wobei ein projiziertes Profil desnachlaufenden Randes auf einer senkrechten Ebene, die senkrechtzu einer Mittelachse der Drehwelle ist, zumindest auf der Kappenseitezu einer der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung gekrümmt ist.
    [2] Francisturbine nach Anspruch 1, bei welcher beideEnden des projizierten Profils des nachlaufenden Randes und einPunkt der Mittelachse der Drehwelle auf der senkrechten Ebene ineiner geraden Linie angeordnet sind.
    [3] Francisturbine nach Anspruch 2, bei welcher das projizierteProfil des nachlaufenden Randes in einem Polarkoordinatensystemausgedrücktwerden kann, das durch Parameter r und θ definiert ist, welche in die senkrechteEbene derart eingeführtsind, dass (a) ein Ursprung auf die Mittelachse der Drehwellegesetzt ist, (b) ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunktgesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, (c)eine positive Richtung von θ aufdie Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei eine Anzahl vonSchaufeln Zr ist, wobei ein Minimalwert von θ entlangdes projizierten Profils in einem Bereich von (d)
    [4] Francisturbine nach Anspruch 1, bei welcher das projizierteProfil des nachlaufenden Randes in einem Polarkoordinatensystemausgedrücktwerden kann, das durch Parameter r und θ definiert ist, welche in die senkrechteEbene derart eingeführtsind, dass (a) ein Ursprung auf die Mittelachse der Drehwellegesetzt ist, (b) ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunktgesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, (c)eine positive Richtung von θ aufdie Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei eine Anzahl vonSchaufeln Zr ist, wobei ein Minimalwert von θ entlangdes projizierten Profils in einem Bereich von (d)
    [5] Francisturbine nach Anspruch 1, bei welcher das projizierteProfil des nachlaufenden Randes auf der senkrechten Ebene zu derTurbinenrichtung auf der Bandseite gekrümmt ist.
    [6] Francisturbine nach Anspruch 5, bei welcher das projizierteProfil des nachlaufenden Randes in einem Polarkoordinatensystemausgedrücktwerden kann, das durch Parameter r und θ definiert ist, welche in die senkrechteEbene derart eingeführtsind, dass (a) ein Ursprung auf die Mittelachse der Drehwellegesetzt ist, (b) ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunktgesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, (c)eine positive Richtung von θ aufdie Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei das projiziertenProfil des nachlaufenden Randes auf der senkrechten Ebene einenlokalen Minimalpunkt und einen lokalen Maximalpunkt für θ im Hinblickauf r besitzt, wobei eine Anzahl der Schaufeln Zr ist, wobeiein Wert von θ andem lokalen Minimalpunkt eingestellt ist auf (d)
    [7] Laufrad füreine Francisturbine, das um eine Drehachse rotierbar ist, umfassend: eineKappe, die um die Drehachse rotieren kann; eine Mehrzahl vonin Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, von denenjede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist; und einkoaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band; wobeidie Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasser angetriebensind und in einer Turbinenrichtung während eines Turbinenbetriebesrotieren; wobei ein Polarkoordinatensystem, das durch Parameterr und θ definiertist, auf einer senkrechten Ebene eingeführt werden kann, die senkrechtzu der Ebene ist, und zwar derart, dass (a) ein Ursprung aufdie Drehachse gesetzt ist, (b) eine positive Richtung von θ auf dieTurbinenrichtung eingestellt ist, wobei ein projiziertes Profildes nachlaufenden Randes der senkrechten Ebene in dem Polarkoordinatensystemausgedrücktist als (c)
    [8] Laufrad füreine Francisturbine nach Anspruch 7, bei welchem Werte von θ an beidenEnden des projizierten Profils des nachlaufenden Randes im Wesentlichendieselben sind.
    [9] Laufrad füreine Francisturbine nach Anspruch 8, bei welchem eine Anzahlder Schaufeln Zr ist, bei welchem das projizierte Profil desnachlaufenden Randes einen lokalen Minimalpunkt besitzt, der dieGleichung erfüllt (e)
    [10] Laufrad füreine Francisturbine nach Anspruch 7, bei welchem eine Anzahlder Schaufeln Zr ist, bei welchem das projizierte Profil desnachlaufenden Randes einen lokalen Minimalpunkt besitzt, der dieGleichung erfüllt (e)
    [11] Laufrad füreine Francisturbine nach Anspruch 7, bei welchem das projizierteProfil des nachlaufenden Randes in dem Polarkoordinatensystem ausgedrückt istals (e)
    [12] Laufrad füreine Francisturbine nach Anspruch 11, bei welchem eine Anzahlder Schaufeln Zr ist, bei welchem das projizierte Profil desnachlaufenden Randes einen ersten und einen zweiten Punkt besitzt, welchedie Gleichung erfüllen (f)wobei der erste Punkt dieGleichung erfüllt (g) wenn ein Ursprung von θ auf einenKappenverbindungspunkt gesetzt ist, an welchem der nachlaufendeRand und die Kappe verbunden sind, wobei der zweite Punkt dieGleichung erfüllt, (h)wenn der Ursprung von θ auf denKappenverbindungspunkt gesetzt ist.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    NO20042528L|2004-12-17|
    BRPI0401970B1|2013-07-23|
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    CN1329630C|2007-08-01|
    US7198470B2|2007-04-03|
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-02-03| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2017-07-28| R016| Response to examination communication|
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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