DE102004029109A1

DE102004029109A1 - Francisturbine

Info

Publication number: DE102004029109A1
Application number: DE102004029109A
Authority: DE
Inventors: Yasuyuki Enomoto; Kaneo Sugishita; Sadao Kurosawa; Toshiaki Suzuki; Takanori Nakamura
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2004-06-16
Publication date: 2005-02-03
Also published as: US7198470B2; US20050042104A1; NO332510B1; CN1329630C; BRPI0401970A; BRPI0401970B1; CN1573019A; NO20042528L

Abstract

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.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Francisturbine, die für eine hydraulische Turbine oder eine Pumpe verwendet wird, und insbesondere auf eine Francisturbine, die Schaufeln mit einer verbesserten Form an einem nachlaufenden Rand besitzt.

Eine Francisturbine wird in einer hydraulischen Maschine, einschließlich einer umkehrbaren Pumpenturbine, zur Stromerzeugung verwendet.

Ein herkömmliches Laufrad einer Francisturbine ist in dem US-Patent 4,479,757 beschrieben. Dieses herkömmliche Laufrad einer Francisturbine umfasst Schaufeln, deren Einlassform (Form des vorlaufenden Randes) zu einer Richtung gekrümmt ist, welche einer Drehrichtung eines Turbinenbetriebes von einer Bandseite zu einer Kappenseite entgegengesetzt ist.

Ein weiteres herkömmliches Laufrad einer Francisturbine ist in dem US-Patent 6,135,716 beschrieben. Dieses herkömmliche Laufrad einer Francisturbine umfasst Schaufeln, deren Einlassform (Form eines vorlaufenden Randes) zu einer Drehrichtung eines Turbinenbetriebes von einer Bandseite zu einer Kappenseite gekrümmt ist. Dieses herkömmliche Laufrad einer Francisturbine umfasst ebenso Schaufeln, deren Auslassform (Form eines nachlaufenden Randes) zu einer Drehrichtung einer Turbinenrichtung von einer Kappenseite zu einer Bandseite gekrümmt ist.

Ebenso ist eine herkömmliche, umkehrbare Pumpenturbine in der japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 8-312517 beschrieben. Ein Laufrad dieser herkömmlichen, umkehrbaren Pumpenturbine besitzt Schaufeln, deren nachlaufender Rand zu einer Richtung gekrümmt ist, welche einer Drehrichtung des Turbinengetriebes von einem mittleren Punkt des nachlaufenden Randes zu einer Bandseite entgegengesetzt ist.

Eine weitere, herkömmliche umkehrbare Turbine ist in der japanischen Offenlegungsschrift (Kokai) Nr. 2000-136766 beschrieben. Ein Laufrad dieser herkömmlichen, umkehrbaren Pumpenturbine besitzt Schaufeln, deren nachlaufender Rand derart gekrümmt ist, dass der nachlaufende Rand in einer Drehrichtung des Turbinenbetriebs konvex ausgeformt ist.

Diese Formen der Schaufeln herkömmlicher Francisturbinen wurden entwickelt, um die hydraulische Effizienz zu verbessern oder Kavitationen zu vermindern. Es gibt jedoch weiterhin Raum zur Entwicklung der Form der Schaufeln, welche die Effizienz verbessert, und zwar aufgrund der jüngsten Entwicklung der Technologie in einem Gebiet wie der computerbasierten Fluiddynamik.

Insbesondere ist es bekannt, dass eine Sekundärströmung, die eine Strömung ist, die nicht entlang einer Strömungslinie verläuft, eine Druckverteilung an den Schaufeln stört und zu Verlusten bei der hydraulischen Effizienz führt.

Darstellung der Erfindung

Dementsprechend ist 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 der Schaufeln erzeugt werden, oder die Sekundärströmung um die Schaufeln vermindern kann.

Um den obigen Vorteil zu erzielen, wird gemäß einer Zielrichtung der vorliegenden Erfindung eine Francisturbine bereitgestellt, die eine Drehwelle, eine Kappe, welche mit der Drehwelle rotieren kann, eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, von denen jede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist, und ein koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band aufweist, wobei die Drehwelle, die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasser angetrieben sind und während eines Turbinenbetriebes in einer Turbinenrichtung rotieren, wobei ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes auf eine senkrechte Ebene, die senkrecht zu einer Mittelachse der Drehwelle ist, zu einer Richtung gekrümmt ist, welche zumindest auf der Kappenseite der Turbinenrichtung entgegengesetzt ist.

Ferner wird gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung ein Laufrad einer Francisturbine bereitgestellt, das um eine Drehachse rotierbar ist, umfassend eine Kappe, die um die Drehachse rotieren kann, eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, von denen jede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist, und ein koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band, wobei die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasser angetrieben sind und während eines Turbinenbetriebes in einer Turbinenrichtung rotieren, wobei ein durch Parameter r und θ definiertes Polarkoordinatensystem auf einer senkrechten Ebene, die senkrecht zu der Drehachse ist, derart eingeführt werden kann, dass (a) der Ursprung auf die Drehachse eingestellt ist, (b) eine positive Richtung von θ auf die Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei das projizierte Profil des nachlaufenden Randes auf die senkrechte Ebene in dem Polarkoordinatensystem zumindest auf der Kappenseite ausgedrückt ist als

Weitere Merkmale, Zielrichtungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen ersichtlich werden, betrachtet zusammen mit den begleitenden Figuren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht eines Laufrades einer Francisturbine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, betrachtet von einer Auslassseite des Laufrades.
2 ist ein Druckverteilungsdiagramm um eine Oberfläche einer Schaufel nahe eines Mittelpunkts einer Strömungslinie in dem Turbinenbetrieb gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine Draufsicht eines Laufrades einer Francisturbine gemäß der Ausführungsform, betrachtet von der Auslassseite des Laufrades.
4 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Minimalwert des Drucks auf der Schaufeloberfläche und eines θ-Werts an dem lokalen Minimalpunkt auf dem projizierten Profil des nachlaufenden Randes zeigt.
5 ist eine Draufsicht der Schaufeln, betrachtet von einer Auslassseite der Turbine, wobei das Band von dem Laufrad entfernt ist.
6 ist eine schematische Explosionsansicht einer herkömmlichen Schaufel für ein Laufrad einer Francisturbine, die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einer Druckverteilung auf der Saugoberfläche während des Turbinenbetriebes zeigt.
7 ist eine schematische Explosionsansicht der Schaufel für das Laufrad einer Francisturbine gemäß dieser Ausführungsform, die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einer Druckverteilung an der Saugoberfläche während des Turbinenbetriebes zeigt.
8 ist eine Draufsicht der Schaufel, betrachtet von einer Auslassseite der Turbine, wobei das Band von dem Laufrad entfernt ist.
9 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen θ_b, θ_c und dem hydraulischen Verlust zeigt.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Eine erste Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf 1 bis 4 erläutert.
1 ist eine Draufsicht eines Laufrades 5 für eine Francisturbine, betrachtet von einer Auslassseite des Laufrades, gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung.
In anderen Worten zeigt 1 projizierte Profile des Auslasses des Laufrades für eine Francisturbine auf einer Ebene, die senkrecht zu einer Drehachse des Laufrades für eine Francisturbine ist. Eine Mehrzahl von Laufradschaufeln (Laufradflügeln) 6 ist in einem Umfangsfeld an einer Kappe 7 vorgesehen. Eine Kopfseite der Laufradschaufel 6 ist durch die Kappe 7 an einem Kappenrand 13 (der auch als Kappenverbindungspunkt bezeichnet wird) gelagert. Eine untere Seite der Laufradschaufel 6 ist durch ein Band an einem Bandrand 14 (der auch als Bandverbindungspunkt bezeichnet wird) gelagert. 1 zeigt das Laufrad 5 für eine Francisturbine, an welchem acht Laufradschaufeln 6 vorgesehene sind. Somit ist das Band 8 koaxial mit der Kappe 7 durch Schaufeln 6 gekoppelt, und eine Drehwelle (nicht gezeigt) ist im Mittelpunkt der Kappe 7 verbunden. Das Laufrad 5 für eine Francisturbine wird angetrieben und dreht um eine Drehachse, welche den Mittelpunkt der Kappe 7 entspricht, in welchem die Drehwelle 28 verbunden ist, und zwar während des Turbinengetriebes in einer Turbinenrichtung. Nachfolgend wird eine Drehrichtung während des Turbinenbetriebes als Turbinenrichtung bezeichnet.
Ein inneres Ende der Schaufel 6 wird als nachlaufender Rand bezeichnet, da Wasser von den inneren Enden der Schaufeln 6 während des Turbinenbetriebes ausströmt. Wenn der nachlaufende Rand 12 der Schaufel 6 auf eine zu der Drehachse senkrechte Ebene projiziert wird, ist der nachlaufende Rand 12 derart ausgeformt, um auf der projizierten Ebene in Bezug auf die Turbinenrichtung konkav zu sein. In 1 ist die Turbinenrichtung entgegen des Urzeigersinns gezeigt, und der nachlaufende Rand 12 der Laufradschaufel 6 ist konkav nach links ausgeformt. In anderen Worten ist ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes 12 auf der Ebene zu einer der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung gekrümmt und derart ausgeformt, um konvex in Bezug auf die der Turbinenrichtung entgegengesetzte Richtung zu sein. Da eine Schaufellänge nahe eines radialen Mittelpunkts der Schaufel 6 verglichen mit einer herkömmlichen länglich ist, wird daher eine an der Schaufeloberfläche pro Längeneinheit erzeugte Druckdifferenz gering. Daher wird der Druck auf einer Saugoberfläche der Schaufel 6 vergleichsweise groß, und dementsprechend kann die Erzeugung einer Kavitation begrenzt werden.
2 ist ein Druckverteilungsdiagramm um eine Oberfläche der Laufradschaufel 6 nahe eines Mittelpunkts einer Strömungslinie im Turbinenbetrieb gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Eine durchgezogene Linie ist eine herkömmliche Druckverteilungskurve S1; und eine gestrichelte Linie ist eine Druckverteilungskurve S2 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Die horizontale Achse gibt eine Position entlang der Schaufel von einem vorlaufenden Rand zu einem nachlaufenden Rand an. Wie in 2 gezeigt, ist der Unterschied des Schaufeldrucks zwischen einer Druckoberfläche und einer Saugoberfläche der Schaufel verglichen mit der herkömmlichen Druckverteilungskurve S1 vermindert. Der Druck auf der saugseitigen Oberfläche der Schaufel ist vergleichsweise hoch, und der Minimalwert des Drucks auf der Schaufeloberfläche ist nicht geringer als ein Sättigungsdampfdruck, bei welchem die Kavitation erzeugt wird. Dies zeigt, dass kaum Kavitation in dem Laufrad 5 für eine Francisturbine gemäß der Ausführungsform erzeugt wird, und zwar selbst bei einem Betriebspunkt mit hoher Strömung, bei welchem die Strömungsgeschwindigkeit in dem Laufrad 5 für eine Francisturbine ansteigt und der Druck auf der Laufradschaufeloberfläche vergleichsweise vermindert ist.
Wie oben beschrieben, wird gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung kaum Kavitation verglichen mit der herkömmlichen erzeugt, und zwar selbst in einem Turbinenbetrieb mit einer großen Strömungsrate. Daher kann die Hydraulische Effizienz verbessert werden. Oder sie kann in einem breiten Betriebsbereich betrieben werden.
Das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12, das in der in 1 gezeigten Ausführungsform derart ausgeformt ist, um in der der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung konvex zu sein, wird nachfolgend weiter erläutert. 3 ist eine Draufsicht eines Laufrades 5 für eine Francisturbine gemäß der Ausführungsform, betrachtet von der Auslassseite des Laufrades. In 3 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um entsprechende Merkmale wie in 1 zu bezeichnen. Eine ausführliche Beschreibung wird für die bereits in 1 angegebenen Bauteile weggelassen.
Da 3 projizierte Profile des Auslasses des Laufrades 5 für eine Francisturbine auf einer Ebene, die senkrecht zu der Drehachse des Laufrades 5 für eine Francisturbine ist, zeigt, kann ein Polarkoordinatensystem unter Einsatz der Parameter r und θ derart eingeführt werden, dass:

(a) ein Ursprung als Mittelachse der Drehwelle definiert ist, welcher dem Mittelpunkt der Kappe 7 entspricht,
(b) eine positive Richtung von θ, das einen Winkel angibt, als Turbinenrichtung definiert ist.

Unter Einsatz dieses Polarkoordinatensystems kann das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 auf der senkrechten Ebene als eine Funktion von r und θ ausgedrückt werden, wobei r einen Abstand vom Mittelpunkt der Kappe 7 angibt. Da die positive Richtung von θ auf die Turbinenrichtung eingestellt ist, ist die Gleichung erfüllt:
Wenn darüber hinaus 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, erfüllt das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 die Gleichung θ ≤ 0auf der Seite der Kappe 7.
In dieser Ausführungsform besitzt das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 der Schaufel 6 einen gleichen Winkel θ, der gleich 0 ist, und zwar sowohl an dem inneren Umfangsrand (Bandverbindungsrand 14) als auch an dem äußeren Umfangsrand (Kappenverbindungsrand 13). Dies bedeutet, dass der Bandverbindungspunkt 14 auf der radialen geraden Linie vorhanden ist, welche den Mittelpunkt der Kappe 7 und den Kappenverbindungspunkt 13 verbindet. In diesem Falle erfüllt das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 12 die Gleichung: θ ≤ 0von dem Kappenverbindungspunkt 13 zu dem Bandverbindungspunkt 14.
Da das projizierte Profil des nachlaufenden Randes derart ausgeformt ist, um in der der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung konvex zu sein, ist ein Punkt, der den Minimalwert von θ auf dem projizierten Profil des nachlaufenden Randes 12 besitzt, ein lokaler Minimalpunkt, an welchem der Wert von θ lokal minimiert ist. In anderen Worten erfüllt die Funktion des projizierten Profils die Gleichung:
an dem Punkt, an welchem der Wert von θ der geringste auf dem projizierten Profil ist.
4 ist ein charakteristisches Diagram, das eine Beziehung zwischen dem Minimalwert des Drucks auf der Schaufeloberfläche und einem θ-Wert (der als θmin bezeichnet wird) an dem lokalen Minimalpunkt auf dem projizierten Profil des nachlaufenden Randes 12 zeigt. In 11 gibt das Symbol Zr die Anzahl von Schaufeln 6 an, die in 1 und 3 gezeigt sind.
Wie in 4 gezeigt, da θmin in einer negativen Richtung ansteigt, nimmt der Minimalwert des Drucks auf der Schaufeloberfläche zu. Daher liegt ein Minimalwert von θ entlang des projizierten Profils, welcher den Wert von θ an dem lokalen Minimalpunkt entspricht, bevorzugt in einem Bereich von:
Gemäß diesem wird der Minimalwert des Drucks auf der Schaufeloberfläche groß, sodass der Druck nicht geringer als der Verdickungsdampfdruck wirken kann, bei welchem Kavitationen erzeugt werden. In anderen Worten kann die Francisturbine in einem Bereich betrieben werden, in welchem bei einer herkömmlichen Francisturbine Kavitationen auf der Schaufeloberfläche erzeugt werden.
Eine zweite Ausführungsform gemäß der Erfindung wird unter Bezugnahme auf 5 bis 9 erläutert.
5 ist eine Draufsicht der Schaufeln, betrachtet von einer Auslassseite der Turbine (Bandseite), wobei das Band von dem Laufrad entfernt ist. In 5 bezeichnet Bezugszeichen 20 ein Laufrad für eine Francisturbine. Bezugszeichen 21 bezeichnet eine Schaufel, Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Kappe. Wie in der ersten Ausführungsform umfasst das Laufrad 20 für eine Francisturbine eine Kappe 22, eine Mehrzahl von Schaufeln 21 und ein Band (nicht gezeigt). Bezugszeichen 24 bezeichnet einen vorlaufenden Rand, der ein äußeres Ende der Schaufel 21 ist, in welches Wasser während des Turbinenbetriebes kommt. Bezugszeichen 31 bezeichnet einen nachlaufenden Rand, der ein inneres Ende der Schaufel 21 ist, wo Wasser während des Turbinenbetriebes ausströmt. Bezugszeichen 28 bezeichnet eine Drehwelle (Spindel), die mit der Kappe 22 verbunden ist. Ein Drehmittelpunkt der Drehwelle 28 wird als O (auch als CL bezeichnet) bezeichnet, was einer Drehachse entspricht. Wie bei der ersten Ausführungsform zeigt 5 projizierte Profile der Schaufeln 21 des Laufrades 20 für eine Francisturbine auf einer Ebene, die senkrecht zur Drehachse des Laufrades 20 für eine Francisturbine ist. Bezugszeichen 25 bezeichnet einen Bandverbindungspunkt, an welchem das Band und der nachlaufende Rand 31 verbunden sind, während Bezugszeichen 26 einen Kappenverbindungspunkt bezeichnet, an welchem die Kappe 22 und der nachlaufende Rand 31 verbunden sind.
Das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 31 der Schaufel 21 auf der zu der Drehachse CL der Spindel (Drehwelle) 28 senkrechten Ebene ist derart ausgeformt, um in der Turbinenrichtung von dem Kappenverbindungspunkt 26 (innere Umfangsseite) eine konkave Gestalt 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 nachlaufenden Randes 31 auf die Ebene zu einer der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung gekrümmt, und ist derart ausgeformt, um in Bezug auf die der Turbinenrichtung entgegengesetzte Richtung auf der Seite der Kappe 22 (nahe des Kappenverbindungspunkts 26) konvex zu sein. Und das projiziert Profil ist zu der Turbinenrichtung gekrümmt und derart ausgeformt, um in Bezug auf die Turbinenrichtung auf der Bandseite (nahe des Bandverbindungspunkts 25) konvex zu sein. Der Bandverbindungspunkt 25 ist auf einer radialen geraden Linie vorhanden, welche die Drehachse CL und den Kappenverbindungspunkt 26 verbindet. In anderen Worten sind beide Enden des projizierten Profils des nachlaufenden Randes 31 auf der radialen geraden Linie gelegen.
In dieser Ausführungsform kann ein Polarkoordinatensystem unter Einsatz der Parameter r und θ derart eingeführt werden, dass:

(a) ein Ursprung als Mittelachse CL der Drehwelle 28 definiert ist, welche dem Mittelpunkt O entspricht,
(b) eine positive Richtung von θ, was einen Winkel bedeutet, als Turbinenrichtung definiert ist.

Das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 31 der Schaufel 21 ist derart ausgelegt, dass sie die Gleichung erfüllt:
am Kappenverbindungspunkt 26, und die Gleichung erfüllt:
am Bandverbindungspunkt 25. Das projizierte Profil kann bevorzugt derart ausgeformt sein, um Werte von θ aufzuweisen, welche die Gleichung erfüllen:
in jeder der Abschnitte, welche Gleichung (1) oder (2) erfüllen. Die Punkte, welche die Gleichung (3) erfüllen, sind ein lokaler Minimalpunkt M₁ und ein lokaler Minimalpunkt SM1, die in 5 gezeigt sind. In anderen Worten ist der lokale Minimalpunkt M₁ der Punkt auf dem projizierten Profil, der die Gleichungen erfüllt:
während der lokale Minimalpunkt SM₁ der Punkt auf dem projizierten Profil ist, der die Gleich8ungen erfüllt:
Somit ist der nachlaufende Rand 31 als Ganzes nach Art der Sigmoidkurve SC aufgebaut.
6 ist eine schematische Explosionsansicht der herkömmlichen Schaufel für das Laufrad für eine Francisturbine, die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einer Druckverteilung auf der Saugoberfläche während des Turbinenbetriebes zeigt.
In 6 ist Bezugszeichen 7 eine Schaufel, Bezugszeichen 18 ein nachlaufender Rand, Bezugszeichen 14 ein Band (bandseitige Wurzel) und Bezugszeichen 15 eine Kappe (kappenseitige Wurzel). In 6 bezeichnet Bezugszeichen SFL eine Strömungslinie (Linie der Strömung) und Bezugszeichen EP bezeichnet eine Linie konstanten Drucks. Bei dieser herkömmlichen Schaufel 7 ist ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes 18 auf eine zu der Drehachse senkrechte Ebene als radiale grade Linie von der Kappe 15 zu dem Band 14 ausgefahren.
Wie in 6 gezeigt, ist die Druckverteilung um die Region "X" gestört, was bedeutet, dass eine Strömung zu der bandseitigen Wurzel 14 in der Region "X" erzeugt wird. Die Strömung zu der bandseitigen Wurzel 14 um die Region "X" entspricht einer Sekundärströmung. Der Grund für die Druckstörung um die Region "X" kann darin liegen, dass eine Druckdifferenz zwischen dem vorlaufenden Rand und dem nachlaufenden Rand 18 entlang der Strömungslinie SFL zwischen der Seite des Bandes 14 und der Seite der Kappe 15 inkonsistent ist. In anderen Orten ist die Druckdifferenz entlang der Strömungslinie SFL auf der Seite der Kappe 15 größer als derjenige auf der Seite des Bandes 14.
Im Allgemeinen kann die Druckdifferenz zwischen dem vorlaufenden Rand und dem nachlaufenden Rand durch Verkürzen der Länge der Schaufel vergrößert werden. In der in 5 gezeigten Ausführungsform ist die Länge der Schaufel 21 auf der Seite der Kappe 22 verlängert und auf der Seite des Bandes 23 verkürzt, verglichen mit der radialen geraden Linie, welche die Drehachse CL mit dem Kappenverbindungspunkt 26 verbindet.
Dies kann die Druckdifferenz zwischen dem vorlaufenden Rand und dem nachlaufenden Rand zwischen der Seite des Bandes 23 und der Seite der Kappe 22 konsistent machen und dazu beitragen, die Druckstörung aufzulösen, die in der Region „X" von 6 zu sehen ist.
7 ist eine schematische Explosionsansicht der Schaufel für das Laufrad für eine Francisturbine gemäß dieser Ausführungsform, die schematisch ein Ergebnis einer Simulation einer Druckverteilung der Saugoberfläche während des Turbinenbetriebes zeigt. In 7 werden dieselben Bezugszeichen verwendet, um entsprechende Merkmale wie in 5 zu bezeichnen. Bezugszeichen SFL bezeichnet eine Strömungslinie (Linie der Strömung), und Bezugszeichen EP bezeichnet eine Linie konstanten Drucks. Der nachlaufende Rand 31 der Laufradschaufel 21 ist als Ganzes nach Art einer Sigmoidkurve SC ausgelegt.
Wie in 7 gezeigt, ist keine Druckstörung nahe des vorlaufenden Randes 13 der bandseitigen Wurzel 14 in 6 zu sehen. Diese bedeutet, dass kaum eine Strömung in einer von der Strömungslinie SFL abweichenden Richtung erzeugt wird, was zu einer Verminderung der Sekundärströmung führt. Eine Verminderung der Sekundärströmung auf der Saugoberfläche kann die hydraulische Effizienz des Laufrades für eine Francisturbine verbessern. Da insbesondere es keine Druckstörung auf der saugseitigen Oberfläche gibt, kann die Turbineneffizienz in einem Teillastbetrieb der Francisturbine verbessert werden.
Ferner werden die Position des lokalen Minimalpunkts M₁ und des lokalen Minimalpunkts SM₁ unter Einsatz von 8 beschrieben. 8 ist eine Draufsicht der Laufradschaufel betrachtet von der Auslassseite der Turbine (Bandseite), wobei das Band wie in 5 entfernt ist. Dieselben Bauteile wie in 5 sind mit denselben Bezugszeichen, bezeichnet und werden nicht ausführlich beschrieben.
8 entspricht einer projizierten Zeichnung, in welcher der nachlaufende Rand 31 der Schaufel 21 auf die zu dem Drehmittelpunkt CL der Spindel (Drehachse) 28 senkrechte Ebene projiziert ist. Das Polarkoordinatensystem unter Einsatz der Parameter r und θ kann ebenso eingeführt werden. Gleichzeitig ist der Wert von θ an dem Kappenverbindungspunkt 26 als Null definiert, der Wert von θ an dem lokalen Minimalpunkt M₁ und dem lokalen Minimalpunkt SM₁ ist als θ_c bzw. θ_b definiert. Bei dem projizierten Profil des nachlaufenden Randes 31 der Schaufel 21 ist die Umfangsposition des Kappenverbindungspunktes 26 gleich derjenigen des Bandverbindungspunktes 25. In anderen Worten ist θ des Bandverbindungspunktes 25 und θ des Bandverbindungspunktes 26 gleich zueinander, und zwar gleich Null in diesem Falle. θ_b entspricht einem Winkel zwischen der Linie HL und einer Linie R₁L, welche den Drehmittelpunkt CL und den lokalen Maximalpunkt SM₁ verbindet. θ_c entspricht einem Winkel zwischen der Linie HL und einer Linie R₂L, welche den Drehmittelpunkt CL und den lokalen Minimalpunkt M₁ verbindet.
9 ist ein charakteristisches Diagramm, das eine Beziehung zwischen θ_b, θ_c und einem hydraulischen Verlust zeigt. Der hydraulische Verlust ist durch Kurvenverbindungspunkte mit gleichem Verlust bei den verschiedenen Werten von θ_c und θ_b veranschaulicht. Die vertikale Achse ist der Wert von θ_b während die horizontale Achse der Wert von θ_b ist. Eine positive Richtung von θ (θ_c und θ_b) ist die Turbinenrichtung. In 9 ist Zr die Anzahl von Schaufeln 21 des Laufrades 20, und die gestrichelten Linien sind Kurven konstanten Verlustes, die zeigen, dass der hydraulische Verlust auf einer weiter innen gelegenen Seite geringer ist als am Umfang. Wie in 9 gezeigt, können Werte von θ_c und θ_b bevorzugt
und
In anderen Worten, da der lokale Minimalpunkt M1 und der lokale Maximalpunkt SM1 Punkte sind, welche die Gleichungen (1), (2), und die oben genannte Gleichung (3) erfüllen, besitzt das projizierte Profil des nachlaufenden Randes 31 zwei Punkte, die bevorzugt erfüllen:
Weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann anhand der Beschreibung und Ausführung der hier offenbarten Erfindung ersichtlich werden. Ferner kann ein Profil eines vorlaufenden Randes, das in einer mit „Francisturbine" bezeichneten Anmeldung beschrieben ist, welche am selben Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde, auf die oben genannte Ausführungsform zur weiteren Verbesserung der Leistung angewendet werden.

Claims

Francisturbine, umfassend: eine Drehwelle; eine Kappe, die mit der Drehwelle rotieren kann; eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, von denen jede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist; und ein koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band; wobei die Drehwelle, die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasser angetrieben sind und in einer Turbinenrichtung während eines Turbinenbetriebes rotieren, wobei ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes auf einer senkrechten Ebene, die senkrecht zu einer Mittelachse der Drehwelle ist, zumindest auf der Kappenseite zu einer der Turbinenrichtung entgegengesetzten Richtung gekrümmt ist.
Francisturbine nach Anspruch 1, bei welcher beide Enden des projizierten Profils des nachlaufenden Randes und ein Punkt der Mittelachse der Drehwelle auf der senkrechten Ebene in einer geraden Linie angeordnet sind.
Francisturbine nach Anspruch 2, bei welcher das projizierte Profil des nachlaufenden Randes in einem Polarkoordinatensystem ausgedrückt werden kann, das durch Parameter r und θ definiert ist, welche in die senkrechte Ebene derart eingeführt sind, dass (a) ein Ursprung auf die Mittelachse der Drehwelle gesetzt ist, (b) ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, (c) eine positive Richtung von θ auf die Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei eine Anzahl von Schaufeln Zr ist, wobei ein Minimalwert von θ entlang des projizierten Profils in einem Bereich von (d)
liegt.
Francisturbine nach Anspruch 1, bei welcher das projizierte Profil des nachlaufenden Randes in einem Polarkoordinatensystem ausgedrückt werden kann, das durch Parameter r und θ definiert ist, welche in die senkrechte Ebene derart eingeführt sind, dass (a) ein Ursprung auf die Mittelachse der Drehwelle gesetzt ist, (b) ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, (c) eine positive Richtung von θ auf die Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei eine Anzahl von Schaufeln Zr ist, wobei ein Minimalwert von θ entlang des projizierten Profils in einem Bereich von (d)
liegt.
Francisturbine nach Anspruch 1, bei welcher das projizierte Profil des nachlaufenden Randes auf der senkrechten Ebene zu der Turbinenrichtung auf der Bandseite gekrümmt ist.
Francisturbine nach Anspruch 5, bei welcher das projizierte Profil des nachlaufenden Randes in einem Polarkoordinatensystem ausgedrückt werden kann, das durch Parameter r und θ definiert ist, welche in die senkrechte Ebene derart eingeführt sind, dass (a) ein Ursprung auf die Mittelachse der Drehwelle gesetzt ist, (b) ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, (c) eine positive Richtung von θ auf die Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei das projizierten Profil des nachlaufenden Randes auf der senkrechten Ebene einen lokalen Minimalpunkt und einen lokalen Maximalpunkt für θ im Hinblick auf r besitzt, wobei eine Anzahl der Schaufeln Zr ist, wobei ein Wert von θ an dem lokalen Minimalpunkt eingestellt ist auf (d)
wobei ein Wert von θ an dem lokalen Maximalpunkt eingestellt ist auf (e)
Laufrad für eine Francisturbine, das um eine Drehachse rotierbar ist, umfassend: eine Kappe, die um die Drehachse rotieren kann; eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung an der Kappe angeordneten Schaufeln, von denen jede ein inneres Ende als nachlaufenden Rand aufweist; und ein koaxial mit der Kappe durch die Schaufeln gekoppeltes Band; wobei die Kappe, die Schaufeln und das Band als Ganzes durch Wasser angetrieben sind und in einer Turbinenrichtung während eines Turbinenbetriebes rotieren; wobei ein Polarkoordinatensystem, das durch Parameter r und θ definiert ist, auf einer senkrechten Ebene eingeführt werden kann, die senkrecht zu der Ebene ist, und zwar derart, dass (a) ein Ursprung auf die Drehachse gesetzt ist, (b) eine positive Richtung von θ auf die Turbinenrichtung eingestellt ist, wobei ein projiziertes Profil des nachlaufenden Randes der senkrechten Ebene in dem Polarkoordinatensystem ausgedrückt ist als (c)
zumindest auf der Kappenseite, wobei ein Wert von θ erfüllt: (d) θ < 0 zumindest auf der Kappenseite, wenn ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, wo der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind.
Laufrad für eine Francisturbine nach Anspruch 7, bei welchem Werte von θ an beiden Enden des projizierten Profils des nachlaufenden Randes im Wesentlichen dieselben sind.
Laufrad für eine Francisturbine nach Anspruch 8, bei welchem eine Anzahl der Schaufeln Zr ist, bei welchem das projizierte Profil des nachlaufenden Randes einen lokalen Minimalpunkt besitzt, der die Gleichung erfüllt (e)
wobei ein Wert von θ an dem lokalen Minimalpunkt in einem Bereich liegt von (f)
wenn ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, an welchem der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind.
Laufrad für eine Francisturbine nach Anspruch 7, bei welchem eine Anzahl der Schaufeln Zr ist, bei welchem das projizierte Profil des nachlaufenden Randes einen lokalen Minimalpunkt besitzt, der die Gleichung erfüllt (e)
wobei ein Wert von θ an dem lokalen Minimalpunkt in einem Bereich liegt von (f)
wenn ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, an welchem der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind.
Laufrad für eine Francisturbine nach Anspruch 7, bei welchem das projizierte Profil des nachlaufenden Randes in dem Polarkoordinatensystem ausgedrückt ist als (e)
auf der Bandseite.
Laufrad für eine Francisturbine nach Anspruch 11, bei welchem eine Anzahl der Schaufeln Zr ist, bei welchem das projizierte Profil des nachlaufenden Randes einen ersten und einen zweiten Punkt besitzt, welche die Gleichung erfüllen (f)
wobei der erste Punkt die Gleichung erfüllt (g)
wenn ein Ursprung von θ auf einen Kappenverbindungspunkt gesetzt ist, an welchem der nachlaufende Rand und die Kappe verbunden sind, wobei der zweite Punkt die Gleichung erfüllt, (h)
wenn der Ursprung von θ auf den Kappenverbindungspunkt gesetzt ist.