DE60306529T2 - Francis-rad und solch ein rad umfassende hydraulische maschine - Google Patents

Francis-rad und solch ein rad umfassende hydraulische maschine Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Francis-Rad und eine hydraulische Maschine, die mit einem solchen Rad ausgerüstet ist.
  • Die Francis-Räder können unterschiedliche Arten von hydraulischen Maschinen ausrüsten, wie Turbinen, Pumpen oder Turbinenpumpen. Sie umfassen Schaufeln, die um eine zentrale Drehachse herum verteilt sind und die zwischen sich Strömungskanäle für Wasser bilden. Wie in dem Artikel von H. Brekke, betitelt "Why not make the turbine cavitation free" erwähnt ist und in den "Proceedings of the International Conference on Hydropower" – Waterpower, XX, XX, vol. 3, Nr. 3, Part 3 (5. August 1997) veröffentlicht ist und wie in der JP-A-61 101680 erwähnt ist, wurde teilweise ins Auge gefasst, die Abströmwinkel der Schaufeln der Francis-Räder zu variieren, um damit die Betriebsweise zu verbessern. Die Geometrie der Schaufeln dieser Räder ist definiert, damit die Strömung des Wassers ein Drehmoment auf das Rad, in diesem Fall eine Turbine, induziert oder um eine Bewegung auf die Flüssigkeit zu übertragen, in dem Fall einer Pumpe. Die Leistung, die eine mit einem solchen Rad ausgerüstete hydraulische Maschine liefert, hängt von seiner Geometrie und von der Art der Gefälle ab, der es zugeordnet ist. So kann die Leistung, die eine Turbine liefern kann, auf einen Referenzwert zurückgeführt werden, der durch die äquivalente Leistung definiert wird, die von einer Turbine gleicher Geometrie geliefert wird, die bei einem Meter Gefälle arbeitet und deren Austrittsdurchmesser des Rades ein Meter ist. Diese Leistung P11 hängt insbesondere von der Drehgeschwindigkeit N11 der Turbine bei gleichen Bedingungen ab.
  • Wie es aus der 6 hervorgeht, kann ein optimaler Arbeitspunkt A in einem Achsensystem definiert werden, das die Leistung P11 einer Turbine bei den oben erwähnten Bedingungen abhängig von der Drehgeschwindigkeit N11 bei den gleichen Bedingungen angibt. Man definiert als Leistung unter starker Last P11FC die Leistung der Turbine bei einem Wirkungsgrad, der um 3,5% kleiner als der Wirkungsgrad im Punkt A ist. In dem Achsenkreuz P11 und N11 definiert man Isowertkurven I99, I98, I97 usw. des mit einer Turbine erhaltenen Wirkungsgrades. Man definiert außerdem einen besonderen Punkt B der gleichen Abszisse wie der Punkt A und für den die erhaltene Leistung gleich P11FC ist.
  • Man definiert als äquivalente Leistung starker Last P11FC die bei den Bedingungen des Punktes B für jede Turbine erhaltene Leistung.
  • Wie in der 7 dargestellt ist, haben die aktuellen Turbinen äquivalente Leistungen unter starken Lasten P11FC, die in einer Darstellung abhängig von der oben erwähnten Geschwindigkeit N11 sich in einer ersten Zone Z1 befinden, was zeigt, dass die äquivalente Leistung unter starker Last P11FC in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit N11 steigt. Es ist manchmal notwendig, äquivalente Leistungen unter starken Lasten zu erhalten, die relativ hoch sind. Insbesondere im Fall der Sanierung einer existierenden Anlage wird die Geschwindigkeit N11 aufgezwungen, was in der Praxis die Leistungswerte P11FC begrenzt, die mit einer klassischen Turbine erhalten werden können.
  • Bisher wurden die Zonen der äquivalenten Leistungen unter starken Lasten mit relativ hohen Werten in Bezug auf die Geschwindigkeit N11 nicht wirklich durch die Konstrukteure der hydraulischen Maschinen erforscht, da man in technisch-wirtschaftlicher Hinsicht mit sich verschlechternden Lösungen rechnet.
  • Die vorliegende Erfindung schlägt die Gegenspur dieses Vorurteils des Fachmanns ein, indem Wertebereiche der Durchsatzmengen, der Leistungen und der Geschwindigkeiten der hydraulischen Maschinen untersucht wurden, die ungefähr der Zone Z2 in der 7 entsprechen. Es hat sich gezeigt, dass eine sinnvolle Wahl bestimmter Eigenschaften des Rades der Turbine Lösungen erhalten ließ, die ein besseres Wirkungsgradniveau bieten, so wie dies aus den folgenden Erklärungen hervorgeht.
  • In diesem Sinne betrifft die Erfindung ein Francis-Rad, das eine Decke, eine Einfassung und Schaufeln umfasst, die sich zwischen der Decke und der Einfassung erstrecken, wobei diese Schaufeln zwischen sich Kanäle für die Strömung von Flüssigkeit bilden. Dieses Rad ist dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen der linearen Geschwindigkeit des Fortschrei tens einer der Schaufeln und der Mittellinie dieser Schaufel an ihrer Abströmkante in der Nähe eines Befestigungspunktes der Schaufel an der Einfassung einen Wert zwischen 20 und 25° umfasst.
  • Mittels der Erfindung ist die Ausrichtung der Abströmkante der Schaufeln in Bezug auf ihre lineare Richtung des Fortschreitens ausreichend groß, damit ein großer Flüssigkeitsdurchsatz durch das Rad hindurch gehen kann, was ermöglicht, dass merkbar größere Leistungswerte erreicht werden als die, die aus den Maschinen des Standes der Technik bekannt sind, ohne den Wirkungsgrad der Maschine zu verschlechtern.
  • Nach vorteilhaften, aber nicht notwendigen Aspekten umfasst dieses Rad eines oder mehrere der folgenden Merkmale:
    • – Über die Länge der Abströmkante der Schaufel beträgt der Winkel zwischen der Lineargeschwindigkeit und der zuvor erwähnten Mittellinie einen Maximalwert kleiner als 34°.
    • – Über die Länge der Abströmkante der Schaufel weist der Winkel zwischen der Lineargeschwindigkeit und der zuvor erwähnten Mittellinie einen Mittelwert auf, der zwischen 20 und 30° liegt.
    • – Über die Länge der Anströmkante der Schaufel weist der mittlere Winkel zwischen der Lineargeschwindigkeit und der Mittellinie dieser Schaufel an der Anströmkante einen Wert zwischen 70 und 120° auf.
    • – Der Winkel zwischen der Lineargeschwindigkeit und der zuvor erwähnten Mittellinie weist in der Nähe des Befestigungspunktes der Schaufel an der Einfas sung einen Wert zwischen 70 und 120° auf.
    • – Der Überdeckungswinkel zwischen der Anströmkante und der Abströmkante der Schaufel hat in Sicht gemäß einer Richtung parallel zur Drehachse des Rades:
    • – einen Wert kleiner als 25° an der Einfassung;
    • – einen Wert kleiner als 37° an der Decke und
    • – einen Wert kleiner als 31° im Mittel über die Länge der Anström- und Abströmkante.
    • – Die Einfassung hat einen Meridianschnitt derart, dass ihr Minimaldurchmesser auf dem mittleren Drittel ihrer Höhe um mindestens 2% kleiner ist in Bezug auf den Durchmesser der Einfassung an den Befestigungspunkten der Abströmkanten der zuvor erwähnten Schaufel.
  • Die Erfindung betrifft gleichfalls eine hydraulische Francis-Maschine, die ein Rad umfasst, wie es zuvor beschrieben wurde. Eine solche Maschine kann durch eine Turbine gebildet werden, die in der Lage ist, eine äquivalente Leistung unter starken Lasten bei einem Meter Gefälle und mit einem Austrittsdurchmesser des Rade von einem Meter zu liefern, ausgedrückt in Kilowatt, derart, dass ihr Verhältnis mit der Drehgeschwindigkeit der Turbine bei den gleichen Bedingungen, ausgedrückt in Umdrehungen pro Minute, einen Wert hat, der zwischen 0,16 und 0,175 liegt. In überraschender Weise hat eine solche Maschine einen zufrieden stellenden Wirkungsgrad zu den Bereichen von N11, die üblicherweise verwendet werden.
  • Die Erfindung wird besser verstanden und andere Vor teile derselben werden klarer im Lichte der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiel einer Francis-Turbine entsprechend der Erfindung erscheinen, die lediglich beispielhaft angegeben ist und Bezug nimmt auf die beigefügten Zeichnungen, in denen:
  • die 1 eine perspektivische Ansicht eines Francis-Turbinenrades entsprechend der Erfindung ist;
  • die 2 ein Meridianhalbschnitt der Rades der 1 ist;
  • die 3 ein abgewickelter Schnitt des Profils der Schaufel ist, die in der 2 längs der Linie III dargestellt ist;
  • die 4 ein Schnitt analog zur 3 in der Verbindungszone zwischen der Schaufel und der Einfassung längs der Linie IV in der 2 ist;
  • die 5 eine Aufsicht auf die in den 2 bis 4 dargestellte Schaufel ist, wobei die Decke und die Einfassung der Klarheit der Zeichnung wegen weggelassen ist;
  • die 6 eine schematische Prinzipdarstellung der Isokurven des Wirkungsgrades in Abhängigkeit von der äquivalenten Leistung einer Turbine und von der Rotationsgeschwindigkeit bei den oben erwähnten Bedingungen ist; und
  • die 7 eine Prinzipdarstellung der Verteilung der äquivalenten Leistungen bei starker Last (P11FC) von unterschiedlichen Turbinen in Abhängigkeit von ihren Rotationsgeschwindigkeiten bei den zuvor erwähnten Bedingungen ist.
  • Das in den 1 bis 5 dargestellt Rad 1 umfasst identische und um die Mittelachse X-X' der Drehung des Rades 1 verteilte Schaufeln. Eine Decke 3 ist im oberen und radial inneren Teil des Rades 1 vorgesehen, während eine Einfassung 4 den unteren, radialen und äußeren Teil der Schaufeln 2 umrandet. Ein Strömungskanal 5 wird so zwischen jedem Paar von zwei gegenüber liegenden Schaufeln gebildet, wobei dieser Kanal durch die Decke 3 und die Einfassung 4 eingefasst ist.
  • Mit 21 ist die Anströmkante einer Schaufel 2 bezeichnet. Mit 22 ist ihre Abströmkante bezeichnet. Mit 213 ist der Verbindungspunkt zwischen der Kante 21 und der Decke 3 bezeichnet. Mit 240 ist der Verbindungspunkt zwischen der Kante 21 und der Einfassung 4 bezeichnet. Mit 223 ist der Verbindungspunkt zwischen der Kante 22 und der Decke 3, und mit 224 ist der Verbindungspunkt zwischen der Kante 22 und der Einfassung 4 bezeichnet.
  • Die Linie III in der 2 stellt die Meridianspur einer achsensymmetrischen Strömungsschürze oder -schwade längs der Schaufel dar. Die Pfeile E stellen diese Strömung dar.
  • In der Darstellung der 3 ist die Strömung E im ganzen gesehen senkrecht zur Richtung der linearen Geschwindigkeit U des Fortschreitens der Schaufel 2, deren Wert gleich der Anzahl von Umdrehungen pro Minute, die das Rad 1 ausführt, multipliziert mit π und mit dem Nominaldurchmesser des Rades ist.
  • Mit 23 ist die Verbindungsfläche zwischen der Schaufel 2 und der Decke 3 bezeichnet, wobei diese Fläche die Punkte 213 und 223 einschließt. Mit 24 ist außerdem die Verbindungsfläche zwischen der Schaufel 2 und der Einfassung 4 bezeichnet, wobei diese Fläche die Punkte 214 und 224 einschließt.
  • Mit 25 ist eine imaginäre gekrümmte Fläche entspre chend der Mittellinie der Schaufel 2, d.h. zu einer Fläche, die mit gleichem Abstand von den Seitenflächen 26 und 27 der Schaufel 2 liegt, bezeichnet. Die Spur der Fläche 25 in der Ebene der 3 ist eine Kurve, die äquidistant zu den Seitenflächen 26 und 27 ist.
  • Mit Δ1 ist eine Gerade bezeichnet, die durch die Anströmkante 21 geht und die Mittellinie 25 in der Ebene der 3 verlängert. Mit β1 ist der Winkel zwischen dieser Geraden Δ1 und einer Geraden D1 bezeichnet, die parallel zur Geschwindigkeit U ist und durch die Abströmkante 21 hindurchgeht.
  • In gleicher Weise ist mit Δ2 eine Gerade bezeichnet, die die Mittellinie 25 an der Abströmkante 22 der Schaufel 2 verlängert und mit D2 eine Gerade, die parallel zu der Geschwindigkeit U an dieser Abströmkante ist. Mit β2 ist der Winkel zwischen den Geraden Δ2 und D2 bezeichnet.
  • Man versteht, dass aufgrund der im wesentlichen linksgerichteten Eigenschaft der Schaufeln 2 die Werte der Winkel β1 und β2 über die Länge der Anströmkante 21 und Abströmkante 22 variabel sind.
  • Wie es besonders aus der 4 hervorgeht, liegt der Wert des Winkels β24 entsprechend dem Winkel β2 an dem Punkt 224 zwischen 20 und 25°, in der Praxis gleich 21° im dargestellten Beispiel. Der Winkel β23 ist der Winkel zwischen einer Geraden Δ224, die die Mittellinie 25 am Punkt 224 verlängert, und einer Geraden D224, die parallel zur Geschwindigkeit U ist und durch diesen Punkt hindurchgeht.
  • Ein Winkel β14 entsprechend einem Winkel β1 an dem Punkt 214 ist zwischen einer Geraden 214, die parallel zur Geschwindigkeit U ist und durch diesen Punkt hindurchgeht, und einer Geraden Δ214, die die Mittellinie 25 an diesem Punkt verlängert, definiert. Der Wert dieses Winkels β14 liegt zwischen 70 und 120° und vorzugsweise in der Größenordnung von 85°, wie dies in der 4 dargestellt ist.
  • Tatsächlich ist jede Schaufel 2 so geplant und realisiert, dass der Maximalwert des Winkels β2 über die Länge der Abströmkante 22 kleiner als 34° ist. Man kann gleichfalls einen Mittelwert dieses Winkels β2 definieren, der über 25 Strömungsfäden genommen wird, die zwischen der Decke 3 und der Einfassung 4 gleich verteilt sind. Dieser Mittelwert liegt vorzugsweise zwischen 20 und 30°.
  • Aufgrund dieser Werte des Winkels β2 kann die Strömung an der Abströmkante 22 mit einem relativ großen Durchsatz stattfinden ohne Verringerung des Wirkungsgrades des Rades 1.
  • In gleicher Weise liegt der Mittelwert des Winkels β1 über die Länge der Anströmkante 21, bei gleichen Bedingungen, zwischen 70 und 120°.
  • Wenn man sich auf die 5 bezieht, kann man gleichfalls den Überdeckungswinkel Φ24 der Schaufel an der Einfassung 4 als ein Winkel zwischen einer Ebene P224, die durch die Achse X-X' und durch den Punkt 224 geht, und einer Ebene P214, die durch die Achse X-X' und durch den Punkt 214 geht, definieren.
  • In der gleichen Weise definiert man als Überdeckungswinkel Φ23 der Schaufel an der Decke als den Winkel zwischen einer Ebene P223, die durch die Achse X-X' und durch den Punkt 223 geht, und einer Ebene P213, die durch die Achse X-X' und durch den Punkt 213 geht.
  • Um die Strömung des Wassers in den Kanälen 5 zu optimieren, wird der Wert von Φ24 kleiner als 25° gewählt, während der Wert von Φ22 kleiner als 37° gewählt wird. Darüber hinaus kann man einen Mittelwert des Überdeckungswinkels zwischen der Anströmkante und der Abströmkante der Schaufel 2 über die Länge dieser Kanten definieren, indem der Mittelwert von 25 Winkelwerten Φ zwischen den Ebenen P22, die durch die Achse X-X' und aufeinander folgende, über die Abströmkante 22 gleich verteilte Punkte hindurch gehen, und Ebenen P21, die durch die Achse X-X' und aufeinander folgende, über die Anströmkante 21 gleich verteilte Punkte hindurch gehen, gebildet wird. Tatsächlich wird der Mittelwert Φm dieses Winkels kleiner als 31° gewählt.
  • Wie es insbesondere aus der 2 hervorgeht, kann man die Einfassung 4 in drei Bereiche oder Bänder 42, 43 und 44 aufteilen, deren Einheitshöhe h42, h43 und h44 gleich einem Drittel der Gesamthöhe h4 der Einfassung 4 ist. Wenn das Mittelband 43 der Einfassung 3 betrachtet wird, kann man ihren minimalen Innendurchmesser Dmin definieren, der tatsächlich der minimale Durchmesser der Fläche 41 ist. Man kann gleichfalls den Durchmesser D224 der Fläche 41 an dem Punkt 224 definieren.
  • Tatsächlich ist das Verhältnis von Dmin/D224 kleiner als 0,98, was der Tatsache entspricht, dass der minimale Durchmesser mindestens um 2% kleiner als der Durchmesser D224 ist.

Claims (9)

  1. Francis Rad umfassend eine Decke, eine Einfassung und Schaufeln, die sich zwischen der Decke und der Einfassung erstrecken, wobei die Schaufeln zwischen sich Kanäle für die Strömung von Flüssigkeit bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β24) zwischen der linearen Geschwindigkeit (U, D224) des Fortschreitens einer der Schaufeln (2) und der Mittellinie (25, Δ224) der Schaufel an ihrem Abströmkante (22) in der Nähe eines Befestigungspunktes (224) der Schaufel an der Einfassung (4) einen Wert zwischen 20 und 25° aufweist.
  2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Länge der Abströmkante (22) der Schaufel (2) der Winkel (β2) zwischen der Lineargeschwindigkeit (U, D2) und der Mittellinie (25, Δ2) einen Maximalwert kleiner als 34° aufweist.
  3. Rad nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Länge der Abströmkante (22) der Schaufel (2) der Winkel (β2) zwischen der Lineargeschwindigkeit (U, D2) und der Mittellinie (25, Δ2) einem mittleren Wert zwischen 20 und 30° aufweist.
  4. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Länge der Anströmkante (21) der Schaufel (2) der Winkel (β1) zwischen der Lineargeschwindigkeit (U, D1) und der Mittellinie (25, Δ1) einen mittleren Wert zwischen 70 und 120° aufweist.
  5. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (β14) zwischen der Lineargeschwindigkeit (U, D214) und der Mittellinie (25, Δ214) in der Nähe des Befestigungspunktes (214) der Schaufel (2) an der Einfassung (4) einen Wert zwischen 70 und 120° aufweist.
  6. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Überdeckungswinkel zwischen der Anströmkante (21) und der Abströmkante (22) der Schaufel (2) in Hinsicht entsprechend einer Richtung parallel zur Rotationsachse (X-X') des Rades (1) – an der Einfassung (4) einen Wert (Ø24) kleiner als 25°, – an der Decke (3) einen Wert (Ø23) kleiner als 37° und – über die Länge der Anström- und Abströmkanten im Mittel einen Wert (Øm) kleiner als 31° aufweist.
  7. Rad nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einfassung (4) einen Meridianschnitt derart aufweist, dass ihr Minimaldurchmesser (Dmin) auf dem mittleren Drittel (43) ihrer Höhe (h4) um mindestens 2% in Bezug auf den Durchmesser (D224) der Einfassung an den Befestigungspunkten (224) der Abströmkanten (22) der Schaufeln (2) an der Einfassung kleiner ist.
  8. Hydraulische Francis Maschine ausgerüstet mit einem Rad (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Turbine umfasst, die eine äquivalente Leistung bei starker Last (P11FC) liefert, die der Leistung der Turbine bei einem Arbeitspunkt (B) entspricht, bei dem der Wirkungsgrad um 3,5% kleiner ist als der Wirkungsgrad bei optimalem Arbeitspunkt (A), bei einem Meter Fall und mit einem Radaustrittsdurchmesser von einem Meter, ausgedrückt in Kilowatt, derart dass ihr Verhältnis mit der Rotationsgeschwindigkeit (N11) der Turbine bei den gleichen Bedingungen, ausgedrückt in Umdrehungen pro Minute, einen Wert zwischen 0,16 und 0,175 aufweist.
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