BR102013022865B1

BR102013022865B1 - Máquina hidráulica e método de operação da mesma

Info

Publication number: BR102013022865B1
Application number: BR102013022865-6A
Authority: BR
Inventors: Sadao Kurosawa; Toshifumi Kurokawa; Takashi Fujita
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2021-11-03
Also published as: US20140079532A1; JP2014058948A; CN103670887A; US9404470B2; AU2013221948B2; JP5956885B2; AU2013221948A1; BR102013022865A2; CN103670887B

Abstract

máquina hidráulica e método de operação da mesma. em uma modalidade, uma máquina hidráulica inclui uma roda de turbina incluindo uma pluralidade de pás arranjadas em um formato de anel, uma coroa conectada às pás a partir de um lado superior e tendo uma superfície de extremidade inferior em uma posição circundada pelas pás, e uma cinta conectada às pás a partir de um lado inferior, a roda de turbina sendo configurad para converter energia de água pressurizada para energia rotacional. a máquina inclui adicionamente um eixo principal configurado para transmitir a energia rotacional da roda de turbina para um gerador, e um tubo de sucção posicionado a jusante da roda de turbina, e configurado de maneira que a água usada para acionar a roda de turbina escoa para dentro do tubo de sucção. a máquina inclui adicionamente um elemento de coluna disposto em um eixo de rotação do eixo principal abaixo da coroa, e tendo um diâmetro menor do que um diâmetro da superfície de extremidade inferior da coroa

Description

REFERÊNCIA CRUZADA A PEDIDO RELACIONADO

[0001] Este pedido é baseado no, e reivindica o benefício de prioridade do Pedido de Patente Japonês anterior No. 2012-205754, depositado em 19 de setembro de 2012, os conteúdos inteiros do qual são incorporados aqui para referência.

CAMPO

[0002] As modalidades descritas aqui se referem a uma máquina hidráulica e a um método de operação da mesma.

ANTECEDENTES

[0003] A Figura 7 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica convencional. A máquina hidráulica da Figura 7 é uma turbina Francis.

[0004] Na máquina hidráulica da Figura 7, uma parte de um trajeto de fluxo é formada por uma caixa 1 configurada para guiar água pressurizada a partir de uma aleta fixa 2, a montante, disposta em um lado periférico interno da caixa 1 para retificar a água proveniente da caixa 1, e um anel fixo 3 configurado para interpor a aleta fixa 2 desde acima e abaixo. Além disso, a máquina hidráulica da Figura 7 é configurada para guiar a água escoando através do trajeto de fluxo para uma aleta de guia 4 que é disposta no lado periférico interno do anel fixo 3 e serve como uma aleta móvel para ajuste da vazão, e para o rotor 5 configurada para converter energia da água pressurizada para energia rotacional.

[0005] O rotor 5 tem uma pluralidade de pás 5a arranjadas em um formato de anel, uma coroa 5b conectada às pás 5a pelo lado superior, tendo um formato de anel, e conectada a um eixo principal 9, uma cinta 5c conectada às pás 5a a partir do lado inferior e tendo um formato de anel, e um cone de rotor 5d provido em uma extremidade inferior da coroa 5b. O rotor 5 é alojada entre uma cobertura superior 6 e uma cobertura inferior 7. A água usada para acionar o rotor 5 é descarregada em um tubo de sucção 8 posicionado a jusante do rotor 5, e é descarregada para um trajeto de drenagem através do tubo de sucção 8. Além disso, o eixo principal 9 é conectado a um eixo de rotor de um gerador 10, e supre o gerador 10 com uma força propulsora para geração de energia por transmissão da energia rotacional do rotor 5 para o gerador 10.

[0006] Geralmente, as pás 5a do rotor 5 são fixas. Quando a produção da máquina hidráulica é alterada, a vazão é ajustada por alteração do grau de abertura da aleta de guia móvel 4. Por esta razão, mesmo se um ângulo de influxo do fluxo de água para o rotor 5 se alterar devido a uma redução no nível de água ou similar de uma barragem, ocorre uma situação em que toda da energia do fluxo de água no rotor 5 não pode ser convertida, uma vez que não é possível colocar as pás 5a do rotor 5 em movimento. Como um resultado, fluxo turbulento escoa para fora do lado de saída do rotor 5. Em particular, este fenômeno aparece proeminentemente no momento de operação a carga parcial de uma pequena vazão, e um grande vórtice em espiral 11 devido ao fluxo turbulento é gerado dentro do tubo de sucção 8 na vizinhança da saída do rotor 5. Pressão cai significantemente na porção central do vórtice 11, e uma cavidade cheia com vapor d’água e ar livre é gerada. O vórtice com bolhas 11 turbilhona dentro do tubo de sucção 8, e, por conseguinte, ocorre a pulsação de pressão de água.

[0007] A relação entre a pulsação de pressão de água e a vazão é ilustrada na figura 8. A Figura 8 é um gráfico ilustrando características de pulsação de pressão de água da máquina hidráulica convencional. A partir da Figura 8, pode ser visto que duas regiões 12 e 13 tendo a pulsação de pressão de água aumentada existem em uma região menor do que a vazão nominal. Consequentemente, a vazão torna- se menor do que a vazão nominal devido a uma diminuição no nível de água da barragem ou similar, e uma grande pulsação de pressão de água ocorre quando se torna uma vazão nas regiões 12 e 13.

[0008] Foi reportado que a magnitude da pulsação de pressão de água da região 12 é dependente da resistência do vórtice 11, e torna-se máxima em torno de uma vazão de aproximadamente metade da vazão nominal devida à natureza do fluxo turbulento que é um fator do vórtice 11.

[0009] Em contraste, nos estudos de visualização prévios, tornou-se conhecido que, como ilustrado nas Figuras 9A e 9B, a pulsação de pressão de água da região 13 é uma síntese de um modo de rotação em que um formato de seção transversal do vórtice 11 é uma elipse 14 e gira com relação ao eixo de espiral, e um modo de expansão/contração em que as regiões de geração completas do vórtice 11 se expandem e se contraem na direção vertical. As Figuras 9A e 9B são uma vista superior e uma vista em seção transversal para descrever o modo de rotação e o modo de expansão/contração.

[0010] Além disso, com relação ao vórtice em espiral 11 tendo a seção transversal elíptica que causa a pulsação de pressão de água da região 13, é estimado que o vórtice em espiral 11 tendo a seção transversal elíptica é formado na forma ilustrada nas Figuras 10A e 10B com base em uma análise de fenômeno usando a recente análise de fluxo. As Figuras 10A e 10B são uma vista em seção transversal e uma vista lateral para descrever um mecanismo de geração do vórtice em espiral 11 tendo a seção transversal elíptica. A Figura 10B é uma vista lateral de uma região 15 da Figura 10A, e ilustra uma superfície de parede cilíndrica do cone de rotor 5d.

[0011] Como ilustrado na figura 10B, no campo de fluxo na vizinhança da superfície de parede do cone de rotor 5d, uma força centrífuga 16 causada pela inclinação da superfície de parede do cone de rotor 5d e uma pressão dinâmica 17 em uma direção de fluxo principal são as maiores forças de fluido. Ambas das forças de fluido são equilibradas na região 13 acima mencionada, e uma região de recirculação local 18 é formada. Uma vez que a região de recirculação 18 é formada na vizinhança da superfície de parede do cone de rotor 5d em um estado de ser pressionada pelo fluxo principal, a região de recirculação 18 é formada em um formato elíptico. A região de recirculação 18 flui para baixo para uma zona mais baixa do rotor 5, e, por conseguinte, o vórtice em espiral 11 tendo a seção transversal elíptica é formado.

[0012] Além disso, com relação ao modo de expansão/contração, em que as regiões de geração completas do vórtice 11 se expandem e se contraem na direção vertical, como ilustrado na figura 11, acredita-se que o modo de expansão/contração é causado pelo equilíbrio entre uma força 19 pela qual o vórtice 11 tenta se expandir para o lado a jusante pela pressão dinâmica do fluxo de saída do rotor 5, e uma força 20 que tenta retornar o vórtice 11 para o lado a montante pelo efeito de recuperação de pressão do tubo de sucção 8. A Figura 11 é uma vista em seção transversal para descrever um mecanismo de geração do modo de expansão/contração.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[0013] A Figura 1 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica de uma primeira modalidade;

[0014] As Figuras 2A e 2B são um gráfico ilustrando uma relação entre um valor de LC/DE e uma amplitude de pulsação de pressão de água na primeira modalidade, e uma vista em seção transversal para descrever LC e DE;

[0015] A Figura 3 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica de uma segunda modalidade;

[0016] A Figura 4 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica de uma terceira modalidade;

[0017] As Figuras 5A e 5B são um gráfico ilustrando uma relação entre um valor de D0/DE, a amplitude de pulsação de pressão de água, e um aumento de perda de fricção em uma quarta modalidade, e um diagrama para descrever D0 e DE;

[0018] As Figuras 6A e 6B é um gráfico ilustrando uma relação entre um valor de L0/LE, a amplitude de pulsação de pressão de água, e uma diminuição de eficiência de turbina hidráulica em uma quinta modalidade, e um diagrama para descrever L0 e LE;

[0019] A Figura 7 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica convencional;

[0020] A Figura 8 é um gráfico ilustrando características de pulsação de pressão de água da máquina hidráulica convencional;

[0021] As Figuras 9A e 9B são uma vista superior e uma vista em seção transversal para descrever um modo de rotação e um modo de expansão/contração;

[0022] As Figuras 10A e 10B são uma vista em seção transversal e uma vista lateral para descrever um mecanismo de geração de um vórtice em espiral tendo uma seção transversal elíptica; e

[0023] A Figura 11 é uma vista em seção transversal para descrever um mecanismo de geração do modo de expansão/contração.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[0024] Modalidades serão agora explicadas com referência aos desenhos anexos.

[0025] Como um método de supressão da pulsação de pressão de água da região 12, um método de afixação de aletas de projeção à parede interna do tubo de sucção 8, a fim de suprimir o fluxo turbulento, e um método de fornecimento de ar ao tubo de sucção 8, a fim de estabilizar o vórtice 11 foram propostos. Como exemplos do método de fornecimento de ar, existe um método de fornecimento forçadamente o ar a partir da cobertura superior 6, um método de fornecimento de ar a partir de um tubo de fornecimento de ar penetrando através da parede interna do tubo de sucção 8, um método de fornecimento de ar para o lado inferior do rotor 5 a partir do interior do eixo principal 9 por formação do interior do eixo principal 9 como uma cavidade, e similar. Entretanto, algumas pulsações de pressão de água da região 13 foram descobertas pelos recentes estudos de visualização, e um método de suprimir efetivamente a pulsação de pressão de água não foi proposto.

[0026] De acordo com uma modalidade, uma máquina hidráulica inclui um rotor que converte energia de água pressurizada para energia rotacional, e o rotor inclui uma pluralidade de pás arranjadas em um formato de anel, uma coroa que é conectada às pás pelo lado superior e tem uma superfície de extremidade inferior em uma posição circundada pelas pás, e uma cinta conectada às pás a partir do lado inferior. Além disso, a máquina inclui um eixo principal configurado para transmitir a energia rotacional do rotor para um gerador, e um tubo de sucção que é posicionado a jusante do rotor e para dentro do qual flui a água usada para acionar o rotor. Além disso, a máquina inclui um elemento de coluna que é arranjado em um eixo de rotação do eixo principal abaixo da coroa, e tem um diâmetro menor do que aquele da superfície de extremidade inferior da coroa.

[0027] Em uma modalidade, uma máquina hidráulica inclui um rotor incluindo uma pluralidade de pás arranjadas em um formato de anel, uma coroa conectada às pás a partir de um lado superior e tendo uma superfície de extremidade inferior em uma posição circundada pelas pás, e uma cinta conectada às pás a partir de um lado inferior, o rotor sendo configurada para converter energia de água pressurizada para energia rotacional. A máquina inclui adicionalmente um eixo principal configurado para transmitir a energia rotacional do rotor para um gerador, e um tubo de sucção posicionado a jusante do rotor, e configurado de maneira que a água usada para acionar o rotor escoa para dentro do tubo de sucção. A máquina inclui adicionalmente um elemento de coluna disposto em um eixo de rotação do eixo principal abaixo da coroa, e tendo um diâmetro menor do que um diâmetro da superfície de extremidade inferior da coroa.

[0028] (Primeira modalidade)

[0029] A Figura 1 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica de uma primeira modalidade. A máquina hidráulica da Figura 1 é uma turbina Francis.

[0030] Similarmente à máquina hidráulica da Figura 7, a máquina hidráulica da Figura 1 inclui uma caixa 1, uma aleta fixa 2, um anel fixo 3, uma aleta de guia 4, o rotor 5, uma cobertura superior 6, uma cobertura inferior 7, um tubo de sucção 8, um eixo principal 9 e um gerador 10.

[0031] O rotor 5 da presente modalidade é provida com uma pluralidade de pás 5a, uma coroa 5b, e uma cinta 5c, mas não é provida com um cone de rotor 5d. Como um resultado, a coroa 5b da presente modalidade tem uma superfície de extremidade inferior S em uma posição circundada pelas pás 5a, e a superfície de extremidade inferior S é exposta ao lado a jusante do rotor 5.

[0032] A coroa 5b da presente modalidade tem uma cavidade no topo da superfície de extremidade inferior S. A coroa 5b pode não ter uma tal cavidade. Todavia, a provisão de uma tal cavidade na coroa 5b tem uma vantagem que é possível reduzir o peso da coroa 5b de modo a girar facilmente o rotor 5.

[0033] Em adição, a superfície de extremidade inferior S da coroa 5b é uma superfície plana sólida na presente modalidade, mas a superfície de extremidade inferior S pode ser uma superfície plana oca, como será descrito abaixo. Por conseguinte, a cavidade não penetra a coroa 5b na presente modalidade, mas pode penetrar a coroa 5b.

[0034] Além disso, a máquina hidráulica da Figura 1 é provida com um elemento de coluna cilíndrico 21. O elemento de coluna 21 é arranjado em um eixo de rotação X do eixo principal 9 abaixo da coroa 5b, e tem um diâmetro D0 menor do que um diâmetro DC da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b. O elemento de coluna 21 é afixado à superfície de extremidade inferior S da coroa 5b. Por conseguinte, o elemento de coluna 21 gira conjuntamente com a rotação do rotor 5 e o eixo principal 9.

[0035] Desde que o elemento de coluna 21 tenha um formato no qual a especificação do diâmetro D0 pode ser especificada, o elemento de coluna 21 pode ter qualquer formato diferente de um formato cilíndrico. Por exemplo, o elemento de coluna 21 pode ter um formato no qual uma projeção, um rebaixo, um fosso, um furo passante ou similar é provido em um elemento cilíndrico. Todavia, uma vez que o elemento de coluna 21 da presente modalidade gira com o rotor 5 e o eixo principal 9, é desejável que o elemento de coluna 21 não tenha uma projeção e/ou um rebaixo que possa perturbar o fluxo de água. Em adição, nas modalidades descritas abaixo, um elemento de coluna de um tipo de tubo circular será descrito.

[0036] Efeitos da primeira modalidade serão descritos.

[0037] Como descrito acima, o elemento de coluna 21 na presente modalidade é arranjado em um eixo de rotação X do eixo principal 9 abaixo da coroa 5b. Um local onde o elemento de coluna 21 é arranjado sobrepõe com uma região de geração do vórtice 11. Além disso, a direção de extensão do elemento de coluna 21 é uma direção vertical similarmente ao modo de expansão/contração no qual as regiões de geração completas do vórtice 11 se expandem e se contraem. Consequentemente, o elemento de coluna 21 atua como uma resistência do modo de expansão/contração do vórtice 11. Por conseguinte, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água causada pelo modo de expansão/contração do vórtice 11.

[0038] Além disso, uma vez que um cone de rotor 5d não é provido na presente modalidade, a região de recirculação elíptica 18, que é um fator principal de causar com que um formato de seção transversal do vórtice 11a seja a elipse 14, não é gerada, e, por conseguinte, uma ocorrência de modo de rotação em que o vórtice 11 gira com relação ao eixo de espiral é suprimida. Além disso, uma vez que o elemento de coluna 21 provido em lugar de um cone de rotor 5d tem o diâmetro D0 menor do que o diâmetro DC da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b, o elemento de coluna 21 é menos provável que seja um fator de geração da região de recirculação elíptica 18. Por conseguinte, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação do vórtice 11.

[0039] Desta maneira, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11.

[0040] As Figuras 2A e 2B são um gráfico ilustrando uma relação entre um valor de LC/DE e uma amplitude de pulsação de pressão de água na primeira modalidade, e uma vista em seção transversal para descrever LC e DE.

[0041] A Figura 2B é uma vista em seção transversal ilustrando a estrutura da máquina hidráulica da primeira modalidade similarmente à Figura 1. O número de referência A representa uma extremidade interna de uma porção de conexão entre as pás 5a e a coroa 5b. O número de referência B representa uma extremidade interna de uma porção de conexão entre as pás 5a e a cinta 5c. O número de referência C representa uma extremidade de saída da cinta 5c. Além disso, o número de referência LC representa uma distância axial entre a extremidade interna A da porção de conexão entre as pás 5a e a coroa 5b e a superfície de extremidade inferior S da coroa 5b. Além disso, o número de referência DE representa um diâmetro de saída do rotor 5 (um diâmetro do rotor 5 na extremidade de saída C da cinta 5c).

[0042] Na presente modalidade, a fim de efetivamente exercer um efeito de supressão da pulsação de pressão de água, é desejável que a distância axial LC seja ajustada em um valor apropriado. A razão é que, quando a distância axial LC é demasiadamente longa, a região de recirculação elíptica 18 gerada na vizinhança da parede lateral de um cone de rotor 5d pode ser similarmente gerada na vizinhança da parede lateral da coroa 5b. Por conseguinte, é desejável que a distância axial LC seja ajustada em um valor menor.

[0043] Por conseguinte, uma relação entre LC/DE (uma razão entre LC e DE) obtida por não dimensionalização da distância axial LC pelo diâmetro de saída de rotor DE e uma amplitude de pulsação de pressão de água foi medida por um teste de modelo. A Figura 2A ilustra o resultado de medição. Como ilustrado na figura 2A, quando LC/DE é aproximadamente maior do que 0,08, o valor da amplitude de pulsação de pressão de água aumenta rapidamente. Por conseguinte, é desejável que o valor de LC/DE seja ajustado para ser menor do que 0,08 (LC/DE < 0,08).

[0044] Como descrito acima, o elemento de coluna 21 tendo o diâmetro D0 menor do que o diâmetro DC da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b é arranjado em um eixo de rotação X do eixo principal 9 abaixo da coroa 5b na presente modalidade. Por conseguinte, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11.

[0045] (Segunda modalidade)

[0046] A Figura 3 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica de uma segunda modalidade.

[0047] Na presente modalidade, a superfície de extremidade inferior S da coroa 5b tem uma superfície plana oca, e tem um formato de anel. Além disso, o elemento de coluna 21 na presente modalidade é afixado à parede superfície do tubo de sucção 8 através de escoras 22. Especificamente, o elemento de coluna 21 é afixado à superfície de parede da porção do tubo de sucção 8 no lado a montante da parte encurvada (isto é, afixado a um tubo de sucção superior). Por conseguinte, o elemento de coluna 21 da presente modalidade não roda com o rotor 5 e o eixo principal 9, e permanece estacionário.

[0048] Em adição, embora o número de escoras 22 seja dois na presente modalidade, ele pode ser qualquer número, desde que seja possível suportar o elemento de coluna 21. Além disso, embora a superfície de extremidade inferior S da coroa 5b seja a superfície plana oca, ela pode ser uma superfície plana sólida similarmente à primeira modalidade.

[0049] Na presente modalidade, como na primeira modalidade, o elemento de coluna 21 tendo o diâmetro D0 menor do que o diâmetro DC da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b é arranjado em um eixo de rotação X do eixo principal 9 abaixo da coroa 5b. Por conseguinte, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11.

[0050] Uma vez que o elemento de coluna 21 na presente modalidade é afixado ao tubo de sucção 8 ao invés de no rotor 5, existe uma vantagem que é possível reduzir o peso aplicado à rotor 5 na presente modalidade. Entretanto, uma vez que não é necessário instalar as escoras 22 na primeira modalidade, existe uma vantagem que é possível impedir uma situação em que as escoras 22 perturbam o fluxo de água na primeira modalidade.

[0051] (Terceira modalidade)

[0052] A Figura 4 é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica de uma terceira modalidade.

[0053] Na presente modalidade, a superfície de extremidade inferior S da coroa 5b tem uma superfície plana oca, e tem um formato de anel. Além disso, a máquina hidráulica da presente modalidade inclui um tubo de fornecimento de ar 23 que passa através do interior do eixo principal 9 e da coroa 5b, e um sensor de pressão 24 que detecta a ocorrência de vibração instável a jusante do rotor 5. Como indicado por uma seta M, o tubo de fornecimento de ar 23 tem uma estrutura capaz de expandir e contrair uma porção de extremidade dianteira na direção vertical. Além disso, o sensor de pressão 24 é afixado à superfície de parede externa do tubo de sucção 8 (especificamente, afixado ao tubo de sucção superior).

[0054] Na presente modalidade, a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11 é suprimida pelo uso do tubo de fornecimento de ar 23. O tubo de fornecimento de ar 23 da presente modalidade corresponde a um exemplo do elemento de coluna do tipo de tubo circular descrito acima. Como ilustrado na figura 4, o tubo de fornecimento de ar 23 da presente modalidade tem um diâmetro menor do que aquele da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b, e sua porção de extremidade dianteira é arranjada em um eixo de rotação X do eixo principal 9 abaixo da coroa 5b.

[0055] Embora o tubo de fornecimento de ar 23 possa ser configurado de forma que sua porção de extremidade dianteira pode se expandir e se contrair ou não pode se expandir e se contrair, o tubo de fornecimento de ar 23 na presente modalidade é configurado de forma que sua porção de extremidade dianteira pode se expandir e se contrair. A razão é que o comprimento do tubo de fornecimento de ar 23 desejável para o fornecimento de ar é geralmente diferente do comprimento do tubo de fornecimento de ar 23 desejável para supressão da pulsação de pressão de água (mais especificamente, desejável para a supressão da pulsação de pressão de água devida ao modo de expansão/contração do vórtice 11).

[0056] Por conseguinte, vibração instável devido à pulsação de pressão de água é detectada pelo sensor de pressão 24 na presente modalidade. Além disso, quando o sensor de pressão 24 detecta uma ocorrência de vibração instável, uma unidade de controle (não ilustrada) da máquina hidráulica estende a porção de extremidade dianteira do tubo de fornecimento de ar 23 para baixo a partir da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b. Consequentemente, é possível suprimir a pulsação de pressão de água.

[0057] Como descrito acima, o tubo de fornecimento de ar 23 tendo o diâmetro D0 menor do que o diâmetro DC da superfície de extremidade inferior S da coroa 5b é arranjado em um eixo de rotação X do eixo principal 9 abaixo da coroa 5b na presente modalidade. Por conseguinte, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11, similarmente à primeira e à segunda modalidades.

[0058] Na presente modalidade, a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11 pode ser suprimida pelo uso de um tubo de fornecimento de água para alimentar a água, em lugar do tubo de fornecimento de ar 23 para alimentar o ar.

[0059] (Quarta modalidade)

[0060] As Figuras 5A e 5B é um gráfico ilustrando uma relação entre um valor de D0/DE, uma amplitude de pulsação de pressão de água, e um aumento de perda de fricção em uma quarta modalidade, e um diagrama para descrever D0 e DE.

[0061] A Figura 5B é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica da quarta modalidade. A máquina hidráulica da quarta modalidade tem a estrutura similar àquela da máquina hidráulica da primeira modalidade. O número de referência D0 representa o diâmetro do elemento de coluna 21. Além disso, o número de referência DE representa um diâmetro de saída do rotor 5.

[0062] Na presente modalidade, a fim de efetivamente exercer um efeito de supressão da pulsação de pressão de água, é desejável que o diâmetro D0 do elemento de coluna seja ajustado para um valor apropriado. A razão é que quando o diâmetro D0 do elemento de coluna é demasiadamente pequeno, o efeito de resistência do elemento de coluna 21 contra o modo de expansão/contração do vórtice 11 é fraco, e não é possível suprimir eficientemente a pulsação de pressão de água. Além disso, a razão é que quando o diâmetro D0 do elemento de coluna é demasiadamente grande, a velocidade de fluxo aumenta por uma redução em uma área de seção transversal do trajeto de fluxo, e a perda de fricção é aumentada. Por conseguinte, é desejável que o diâmetro D0 do elemento de coluna seja ajustado para um valor que não é demasiadamente grande e não demasiadamente pequeno.

[0063] Por conseguinte, a relação entre D0/DE (um valor obtido por divisão de D0 por DE) obtida por não dimensionalização do diâmetro D0 do elemento de coluna pelo diâmetro de saída de rotor DE, uma amplitude de pulsação de pressão de água, e o aumento de perda de fricção foi medido pelo teste de modelo. A Figura 5A ilustra os resultados de medição. Como ilustrado na figura 5A, quando D0/DE é aproximadamente menor do que 0,02, o valor da amplitude de pulsação de pressão de água é aumentado rapidamente. Entretanto, quando D0/DE é aproximadamente maior do que 0,30, o valor do aumento de perda de fricção é aumentado rapidamente.

[0064] Por conseguinte, o valor de D0/DE na presente modalidade é ajustado para ser maior do que 0,02 e menor do que 0,30 (0,02 < D0/DE < 0,30). Consequentemente, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11, enquanto a perda de fricção é reduzida. O ajuste da presente modalidade pode ser aplicado à segunda e à terceira modalidades.

[0065] (Quinta Modalidade)

[0066] As Figuras 6A e 6B é um gráfico ilustrando uma relação entre um valor de L0/LE, uma amplitude de pulsação de pressão de água, e uma diminuição de eficiência de turbina hidráulica em uma quinta modalidade, e um diagrama para descrever L0 e LE.

[0067] A Figura 6B é uma vista em seção transversal ilustrando uma estrutura de uma máquina hidráulica da quinta modalidade. A máquina hidráulica da quinta modalidade tem uma estrutura similar àquela da máquina hidráulica da primeira modalidade. O número de referência L0 representa um comprimento do elemento de coluna 21. O número de referência LE representa uma distância axial entre a extremidade interna A da porção de conexão entre as pás 5a e a coroa 5b e a extremidade de saída C da cinta 5c. As posições da extremidade interna A e da extremidade de saída C são referidas nas Figuras 2A e 2B.

[0068] Na presente modalidade, a fim de efetivamente exercer um efeito de supressão da pulsação de pressão de água, é desejável que o comprimento L0 do elemento de coluna seja ajustado para um valor apropriado. A razão é que quando o comprimento L0 do elemento de coluna é demasiadamente pequeno, a ação de resistência do elemento de coluna 21 contra o modo de expansão/contração do vórtice 11 é fraca, e não é possível suprimir eficientemente a pulsação de pressão de água. Ainda, a razão é que quando o comprimento L0 do elemento de coluna é demasiadamente longo, a perda de fricção gerada na parede lateral do elemento de coluna 21 e a perda hidráulica devida ao fluxo encurvado do tubo de sucção 8 aumentam, e a eficiência de turbina hidráulica da máquina hidráulica é abaixada. Por esta razão, é desejável que o comprimento L0 do elemento de coluna seja ajustado para um valor que não é demasiadamente pequeno e não demasiadamente longo.

[0069] Consequentemente, a relação entre L0/LE (um valor pela divisão de L0 por LE) obtida por não dimensionalização do comprimento L0 do elemento de coluna pela distância axial LE, a amplitude de pulsação de pressão de água, e a diminuição de eficiência de turbina hidráulica foi medida pelo teste de modelo. A Figura 6A ilustra os resultados de medição. Como ilustrado na figura 6A, quando L0/LE é aproximadamente menor do que 0,3, o valor da amplitude de pulsação de pressão de água é aumentado rapidamente. Entretanto, quando L0/LE é aproximadamente maior do que 3,0, o valor da diminuição de eficiência de turbina hidráulica é aumentado rapidamente.

[0070] Por conseguinte, o valor de L0/LE na presente modalidade é ajustado para ser menor do que 0,3 e maior do que 3,0 (0,3 < L0/LE < 3,0). Consequentemente, de acordo com a presente modalidade, é possível suprimir a pulsação de pressão de água devida ao modo de rotação ou ao modo de expansão/contração do vórtice 11, enquanto suprime a diminuição da eficiência de turbina hidráulica. O ajuste da presente modalidade pode ser aplicado à segunda até a quarta modalidades.

[0071] Embora certas modalidades tenham sido descritas, essas modalidades foram apresentadas somente a título de exemplo, e não são destinadas a limitar o escopo das invenções. Mais especificamente, as máquinas novas e métodos novos descritos aqui podem ser incorporados em uma variedade de outras formas; além disso, várias omissões, substituições e alterações na forma das máquinas e métodos descritos aqui podem ser feitas sem fugir do espírito das invenções. As reivindicações anexas e seus equivalentes são destinados para cobrir tais formas ou modificações quando caírem dentro do escopo e espírito das invenções.

Claims

1. Máquina hidráulica, caracterizada por compreender:um rotor incluindo uma pluralidade de pás dispostas em um formato de anel, uma coroa conectada às pás a partir de um lado superior, tendo uma superfície de extremidade inferior sólida em uma posição circundada pelas pás, e tendo uma cavidade provida acima da superfície de extremidade inferior sólida e circundada pela coroa, e uma cinta conectada às pás a partir de um lado inferior, o rotor sendo configurada para converter energia de água pressurizada em energia rotacional;um eixo principal configurado para transmitir a energia rotacional do rotor para um gerador;um tubo de sucção posicionado a jusante do rotor, e configurado de maneira que a água usada para acionar o rotor escoa para dentro do tubo de sucção; eum elemento de coluna disposto em um eixo de rotação do eixo principal abaixo da coroa, e tendo um diâmetro menor do que um diâmetro de uma porção de extremidade inferior da cavidade.

2. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de coluna é afixado à coroa.

3. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que uma razão LC/DE de uma distância axial LC entre uma extremidade interna de uma porção de conexão entre as pás e a coroa e a superfície de extremidade inferior da coroa para um diâmetro de saída DE do rotor é menor do que 0,08.

4. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que o elemento de coluna é afixado ao tubo de sucção através de uma escora.

5. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um valor D0/DE obtido dividindo o diâmetro D0 do elemento de coluna por um diâmetro de saída DE do rotor é maior do que 0,02 e menor do que 0,30.

6. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que um valor L0/LE obtido dividindo um comprimento L0 do elemento de coluna por uma distância axial LE entre uma extremidade interna de uma porção de conexão entre as pás e a coroa e uma extremidade de saída da cinta é maior do que 0,3 e menor do que 3,0.

7. Máquina de acordo com a reivindicação 1, caracterizada pelo fato de que a superfície de extremidade inferior sólida da coroa é uma superfície plana, e é exposta a um lado a jusante do rotor.

8. Método de operação de uma máquina hidráulica, caracterizado pelo fato de que compreende:converter energia de água pressurizada em energia rotacional por um rotor que inclui uma pluralidade de pás dispostas em um formato de anel, uma coroa conectada às pás a partir de um lado superior, tendo uma superfície de extremidade inferior sólida em uma posição circundada pelas pás, e tendo uma cavidade provida acima da superfície de extremidade inferior sólida e circundada pela coroa, e conectada a um eixo principal, e uma cinta conectada às pás a partir de um lado inferior, um elemento de coluna que tem um diâmetro menor do que um diâmetro de uma porção de extremidade inferior da cavidade sendo disposto em um eixo de rotação do eixo principal abaixo da coroa;transmitir a energia rotacional do rotor para um gerador pelo eixo principal; edescarregar a água usada para acionar o rotor em um tubo de sucção localizado a jusante do rotor.