DE202020005480U1

DE202020005480U1 - Wasserturbine

Info

Publication number: DE202020005480U1
Application number: DE202020005480.1U
Authority: DE
Original assignee: Natel Energy Inc
Current assignee: Natel Energy Inc
Priority date: 2019-03-13
Filing date: 2020-03-13
Publication date: 2021-06-10
Anticipated expiration: 2030-03-14
Also published as: SI3735529T1; US11078882B2; US11952976B2; HRP20221386T1; US11614065B2; RS63961B1; ES2931325T3; DK3735529T3; PL3735529T3; LT3735529T; EP3735529B1; US20200408184A1; US20210231094A1; EP3735529A1; US20230296073A1; EP3735529A4; HUE060285T2; WO2020186244A1; PT3735529T

Abstract

Laufrad für eine Wasserturbine, umfassend:
eine Nabe; und
mehrere Flügel, die sich von der Nabe erstrecken,
wobei jeder Flügel der mehreren Flügel eine sich an der Nabe befindende Basis, eine Spitze entgegengesetzt zur Basis, eine Vorderkante und eine Hinterkante entgegengesetzt zur Vorderkante umfasst, und
wobei ein Verhältnis einer Dicke der Vorderkante zu einem Durchmesser des Laufrads t_LE/D_t größer als etwa 0,06 ist.

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/818,031 , eingereicht am 13. März 2019.
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wasserkraftlaufrad. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Turbinenlaufrad für Niederdruckanwendungen, das dafür ausgelegt ist, ein sicheres Passieren von Fischen stromabwärts durch die Turbine zu fördern.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Es besteht ein zunehmender Bedarf an Wasserkraftanlagen, die eine geringe Auswirkung auf die Umwelt haben. Um die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern, werden Wasserkraftanlagen für Niederdruckanwendungen (z. B. mit einer Fallhöhe von höchstens 20 Metern) und Tiefstdruckanwendungen (z. B. mit einer Fallhöhe von höchstens 5 Metern) ausgelegt, wie zur Installation in einem Fluss oder einem Strom. Es ist bei Wasserkraftanlagen wünschenswert, dass diese eine minimale Auswirkung auf Fische und andere Wasserwildtiere haben (z. B. indem Fischen nicht geschadet wird und indem vermieden wird, dass die Reise oder Wanderung von Fischen blockiert wird). Es ist auch wünschenswert, Wasserkraftanlagen mit relativ geringen Installations-, Betriebs- und Wartungskosten zu bauen.
Demgemäß besteht in der Technik ein stetiger Bedarf an einer Turbine für Niederdruckanwendungen, die ein sicheres Passieren von Fischen durch die Turbine stromabwärts zulässt und die Kosten für Installation, Betrieb und Wartung minimiert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Einige Ausführungen hier betreffen ein Laufrad für eine Wasserturbine, das eine Nabe und mehrere, sich von der Nabe erstreckende Flügel aufweist. Jeder Flügel besitzt eine Basis, die mit der Nabe verbunden ist, und eine Spitze entgegengesetzt zur Basis und weist ferner eine Vorderkante entgegengesetzt zu einer Hinterkante auf. Ein Verhältnis einer Dicke der Vorderkante eines Flügels zu einem Durchmesser des Laufrads kann etwa 0,08 bis etwa 0,2 betragen. Die Vorderkante jedes Flügels kann relativ zu einer radialen Achse senkrecht zur Drehachse des Laufrads gerade oder gekrümmt sein.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Dicke der Vorderkante des Flügels mindestens etwa 50 mm betragen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen können die mehreren Flügel drei Flügel aufweisen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann jedes der mehreren Flügel die gleiche Form und die gleichen Abmessungen aufweisen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Vorderkante jedes der mehreren Flügel eine Sattelform aufweisen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Dicke eines Flügels der mehreren Flügel zu einem Durchmesser des Laufrads von ungefähr 0,06 bis ungefähr 0,35 reichen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Vorderkante eines Flügels der mehreren Flügel einen Winkel an der Spitze relativ zu einer angrenzenden konzentrischen Oberfläche von etwa 20° bis etwa 45° bilden.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Basis des Flügels an der Vorderkante an einer radialen Achse des Laufrads angeordnet sein, und die Spitze des Flügels an der Vorderkante ist zusammenfallend mit der radialen Achse angeordnet.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Basis des Flügels an der Vorderkante an einer radialen Achse des Laufrads angeordnet sein, und die Spitze des Flügels an der Vorderkante kann sich von der radialen Achse nach vorne erstrecken.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann das Laufrad einen Durchmesser von mindestens etwa 0,5 Metern aufweisen.
Einige Ausführungsformen hier betreffen eine Axialturbine, die ein Gehäuse, das einen Einlass für einen Flüssigkeitsstrom und einen Auslass definiert, eine Stauklappenanordnung zum Steuern eines Flüssigkeitsstroms, ein Laufrad gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform und ein Saugrohr stromabwärts des Laufrads aufweist.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Stauklappenanordnung der Turbine mehrere nicht verstellbare Stauklappen aufweisen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann ein Verhältnis einer Länge des Turbinenlaufrads, gemessen in einer Richtung einer Längsachse der Turbine, zu einem Durchmesser der Turbine etwa 0,25 bis etwa 0,75 und vorzugsweise zwischen etwa 0,58 und 0,65 für ein Laufrad mit drei Flügeln betragen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Turbine ferner eine Birne (Bulb oder Rohr) aufweisen, die dafür ausgelegt ist, einen Generator aufzunehmen.
Einige Ausführungsformen hier betreffen eine Wasserkraftinstallation für eine Niederdruckanwendung, aufweisend mehrere Turbinenkammern, die dafür ausgelegt sind, eine Fallhöhe zwischen einem Oberwasser stromaufwärts der Turbinenkammer und einem Unterwasser stromabwärts der Turbinenkammer zu halten, und mehrere Axialturbinen, die in einer vertikalen Ausrichtung innerhalb jeder der mehreren Turbinenkammern angeordnet sind. Jede der Axialturbinen umfasst ein Gehäuse, das einen Strömungsdurchlass definiert, eine Stauklappenanordnung zum Steuern eines Wasserstroms in das Gehäuse, ein Laufrad, das eine Nabe und mehrere Flügel umfasst, die dafür ausgelegt sind, von dem Wasserstrom drehend angetrieben zu werden, und ein Saugrohr, das dafür ausgelegt ist, den Wasserstrom zum Unterwasser zu lenken.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann jede der mehreren Turbinenkammern vorgefertigte Betonplatten aufweisen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann jede der mehreren Turbinen durch ein Paar von beabstandeten und parallelen Seitenwänden, einen Boden und eine stromabwärtige Wand definiert sein, die dafür ausgelegt ist, eine Fallhöhe der Wasserkraftinstallation beizubehalten. In einigen Ausführungsformen kann jede der mehreren Axialturbinen auf dem Boden einer Turbinenkammer unter Schwerkraft aufsitzen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Wasserkraftinstallation ferner einen in einer horizontalen oder nahezu horizontalen Ausrichtung positionierten Abfallrechen aufweisen, der dafür ausgelegt ist zu verhindern, dass Trümmer in die Axialturbinen gelangen.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Wasserkraftinstallation ferner eine stromaufwärtige Klappe aufweisen, die zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, um einen Wasserstrom in die mehreren Turbinenkammern zu steuern.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Wasserkraftinstallation ferner eine stromabwärtige Klappe aufweisen, die zwischen einer offenen Position und einer geschlossenen Position beweglich ist, um eine Fallhöhe der Wasserkraftinstallation zu steuern.
In jeder der hier besprochenen verschiedenen Ausführungsformen kann die Wasserkraftinstallation ferner einen Kran aufweisen, der dafür ausgelegt ist, eine Axialturbine in der Wasserkraftinstallation zu entfernen oder einzubauen.
Figurenliste
Die beigefügten Zeichnungen, die hier einbezogen sind und einen Teil der Gebrauchsmusterschrift bilden, veranschaulichen die vorliegende Offenbarung und dienen ferner dazu, zusammen mit der Beschreibung, die Prinzipien von dieser zu erläutern und einen Fachmann auf dem Gebiet in die Lage zu versetzen, diese herzustellen und zu nutzen.

1 ist ein Schaubild einer dimensionslosen Drehzahl der Turbine gegenüber der Fallhöhe.
2 ist ein Schaubild von Turbinenauslegungsparametern gegenüber einer dimensionslosen Drehzahl.
3 ist ein Diagramm, das Variablen der Turbinenauslegung zeigt.
4 ist ein Haufendiagramm von einem eingestellten Prozentsatz des Überlebens des gesamten Fischbestands gegenüber einer Aufschlaggeschwindigkeit für einen Bereich von Verhältnissen der Fischlänge zu der Flügeldicke.
5 ist ein Haufendiagramm von dem Prozentsatz des Überlebens des gesamten Fischbestands gegenüber dem Abschrägungswinkel der Flügelvorderkante bei einem Aufschlagen für einen Bereich von Aufschlaggeschwindigkeiten.
6 ist ein Konturenschaubild von Laufraddurchmessern, die erforderlich sind, um einen Energiebereich bei einem Fallhöhenbereich zu erzeugen, und zwar für herkömmliche und die Renaturierungs-Wasserturbinen.
7 ist ein Konturenschaubild des Verhältnisses der Fischlänge zur Dicke der Turbinenvorderkante für Turbinen, die einen Energiebereich bei einem Fallhöhenbereich erzeugen müssen, für herkömmliche und die Renaturierungs-Wasserturbinen, ausgehend von einer Fischlänge von 300 mm und ausgehend von einem Verhältnis der Vorderkantendicke zum Laufraddurchmesser von 0,035 für herkömmliche Turbinen und 0,012 für Renaturierungs-Wasserturbinen.
8 ist ein Konturenschaubild der geschätzten Fischüberlebensrate, ausgehend von einem Fisch mit einer Länge von 300 mm, der in der Nähe der Spitze der Turbinenlaufräder getroffen wird, für Turbinen über einen Energiebereich bei einem Fallhöhenbereich, für herkömmliche und die Renaturierungs-Wasserturbinen, und ausgehend von einem Verhältnis der Vorderkantendicke zum Laufraddurchmesser von 0,035 für herkömmliche Turbinen und 0,012 für Renaturierungs-Wasserturbinen, und ausgehend von einem Abschrägungswinkel an der Laufradspitze zwischen 20° und 45° für die Renaturierungs-Wasserturbinen.
9A ist eine Perspektivansicht eines Laufrads für eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
9B ist eine Seitenansicht des Laufrads gemäß 9A.
9C ist eine stromaufwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 9A, die Fische zeigt, die auf den Laufradflügel treffen.
9D ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 9A an der Linie 9D-9D.
9E ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 9A an der Linie 9E-9E.
9F ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 9A an der Linie 9F-9F.
10A ist eine Perspektivansicht eines Laufrads für eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
10B ist eine Seitenansicht des Laufrads gemäß 10A.
10C ist eine stromaufwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 10A.
10D ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 10A an der Linie 10D-10D.
10E ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 10A an der Linie 10E-10E.
10F ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 10A an der Linie 10F-10F.
10G ist eine stromabwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 10A.
11A ist eine Perspektivansicht eines Laufrads für eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
11B ist eine Seitenansicht des Laufrads gemäß 11A.
11C ist eine stromaufwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 11A.
11D ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 11A an der Linie 11 D-1 1 D.
11 E ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 11A an der Linie 11E-11E.
11F ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 11A an der Linie 11 F-11F.
11G ist eine stromabwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 11A.
12A ist eine Perspektivansicht eines Laufrads für eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
12B ist eine Seitenansicht des Laufrads gemäß 12A.
12C ist eine stromaufwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 12A.
12D ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 12A an der Linie 12D-12D.
12E ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 12A an der Linie 12E-12E.
12F ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 12A an der Linie 12F-12F.
12G ist eine stromabwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 12A.
13A ist eine Perspektivansicht eines Laufrads für eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
13B ist eine Seitenansicht des Laufrads gemäß 13A.
13C ist eine stromaufwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 13A.
13D ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 13A an der Linie 13D-13D.
13E ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 13A an der Linie 13E-13E.
13F ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 13A an der Linie 13F-13F.
13G ist eine stromabwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 13A.
14A ist eine Perspektivansicht eines Laufrads für eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
14B ist eine Seitenansicht des Laufrads gemäß 14A.
14C ist eine stromaufwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 14A.
14D ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 14A an der Linie 14D-14D.
14E ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 14A an der Linie 14E-14E.
14F ist eine Querschnittsansicht eines Flügels des Laufrads aus 14A an der Linie 14F-14F.
14G ist eine stromabwärtige Ansicht des Laufrads gemäß 14A.
15A-C zeigen eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
16A-C zeigen eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
17A-C zeigen eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
18A-C zeigen eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
19A-C zeigen eine Wasserturbine gemäß einer Ausführungsform.
20A ist ein Diagramm einer Wasserkraftinstallation gemäß einer Ausführungsform.
20B ist eine Schnittansicht der Wasserkraftinstallation aus 20A entlang der Linie A-A.
21 ist ein Ablaufdiagramm betreffend ein Verfahren des Auslegens eines für Fische sicheren Flügels.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten aufgeführt, um ein gründliches Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu schaffen. Es wird für die Fachleute auf dem Gebiet jedoch offensichtlich sein, dass die Ausführungsformen, einschließlich der Strukturen, Systeme und Verfahren, ohne diese speziellen Einzelheiten ausgeführt werden können. Die vorliegende Beschreibung und Darstellung sind die üblichen Mittel, die von den erfahrenen Fachleuten verwendet werden, um anderen Fachleuten auf dem Gebiet das Wesen ihrer Arbeit am wirksamsten zu vermitteln. An anderen Stellen wurden allgemein bekannte Verfahren, Prozeduren, Komponenten und Schaltungen nicht im Einzelnen beschrieben, um unnötige Unklarheiten der Aspekte der Offenbarung zu vermeiden.
Verweise in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform“, „eine beispielhafte Ausführungsform“ usw. zeigen an, dass die beschriebene Ausführungsform ein besonderes Merkmal, eine besondere Struktur oder eine besondere Eigenschaft einschließen kann, aber nicht unbedingt jede Ausführungsform dieses besondere Merkmal, die besondere Struktur oder die besondere Eigenschaft einschließen muss. Außerdem beziehen sich solche Sätze nicht unbedingt auf die gleiche Ausführungsform. Ferner wird, wenn ein besonderes Merkmal, eine besondere Struktur oder Eigenschaft im Zusammenhang mit einer Ausführungsform beschrieben wird, vermittelt, dass es im Kenntnisbereich eines Fachmanns auf dem Gebiet liegt, ein solches Merkmal, eine solche Struktur oder Eigenschaft im Zusammenhang mit anderen Ausführungsformen zu bewirken, unabhängig davon, ob dies ausdrücklich beschrieben ist.
Die folgenden Beispiele sind für die vorliegende Erfindung veranschaulichend, aber nicht einschränkend. Andere geeignete Modifikationen und Anpassungen der Vielfalt von Bedingungen und Parametern, die normalerweise auf dem Gebiet vorkommen und die für die Fachleute offensichtlich wären, liegen im Wesen und Schutzbereich der Offenbarung.
Moderne Wasserkraftanlagen können häufig nur betrieben werden, wenn der Wasserkraftplan strenge Kriterien für eine umweltbezogene Nachhaltigkeit erfüllen kann. Trotz des Vermeidens einiger der Umweltbeeinträchtigungen, die durch höhere Anstauungen geschaffen werden, beeinträchtigen Wasserkraftanlagen mit einer geringen Fallhöhe von z. B. etwa höchstens 20 Metern, oder einer sehr geringen Fallhöhe von z. B. etwa höchstens 5 Metern, trotzdem oft natürliche Ökosysteme, insbesondere durch das Unterbrechen von Fischbewegungen stromaufwärts und stromabwärts. Typische betroffene wandernde Flussfische schließen Lachsfische, Heringe und Aale ein. Junge stromabwärts wandernde Lachsfische haben typischerweise eine Länge im Bereich zwischen 130 mm und 210 mm; ausgewachsene atlantische Lachs-Kelte nach dem Laichen, die ins Meer zurückkehren, haben typischerweise eine Länge im Bereich von 650 mm bis 800 mm. Ein stromabwärts wandernder Aal kann eine Länge im Bereich von 650 mm bis 1500 mm haben. Ein junger Blaurückenhering hat üblicherweise eine Länge im Bereich von 75 mm bis 100 mm, und ein junger Stör hat typischerweise eine Länge im Bereich von 100 mm bis 300 mm.
Die wichtigsten Risikofaktoren, die die Sterblichkeit von Fischen verursachen, die herkömmliche Niederdruckturbinen stromabwärts passieren, sind der Aufprall auf die Flügel und ein physisches Mitreißen zwischen sich bewegenden und feststehenden Komponenten. Andere Sterblichkeitsrisikofaktoren, wie die Druckänderungsrate, ein minimaler statischer Druck und eine Fluidscherung, sind für Fische, die in Niederdruck- und Tiefstdruck-Wasserkraftturbinen mitgerissen werden, im Vergleich zu Mitteldruck- oder Hochdruckturbinen, z. B. mit einer Fallhöhe von mehr als 30 Metern, auf Grund der an sich geringen Strömungsgeschwindigkeit und der relativ hohen Drücke bei einer solchen geringen Fallhöhe im Allgemeinen von geringerer Bedeutung. Gemäß der von-Raben-Gleichung ist die Wahrscheinlichkeit des Aufschlagens von Fischen auf die Flügel, die irgendeine Turbine passieren, proportional zu der Fischlänge (L_f), dem Kosinus des Winkels zwischen dem Vektor der axialen Strömungsgeschwindigkeit (V_axial) und dem Vektor der absoluten Wassergeschwindigkeit, der Turbinengeschwindigkeit (n) und der Anzahl der Flügel (Z) und indirekt proportional zur axialen Strömungsgeschwindigkeit: $P (s) = \frac{L_{f} cos α Z \frac{n}{60}}{V_{a x i a l}}$
4 veranschaulicht, wie ein Überleben des Fisches nach einem Aufschlagereignis auf einen Flügel gegenüber dem Verhältnis der Körperlänge des Fisches zur Dicke der Vorderkante und der Geschwindigkeit des Turbinenflügels empfindlich ist. Die Daten in 4 entsprechen Flügeln mit geraden Vorderkanten, d. h. die Vorderkante ist senkrecht zur Laufrichtung der Flügel. Kleine Verhältnisse der Fischlänge zur Flügeldicke (L_f/t) entsprechen Flügeln mit einer relativ großen Dicke relativ zur Länge des mitgerissenen Fisches. Große Verhältnisse der Fischlänge zur Flügeldicke entsprechen relativ dünnen Flügeln relativ zur Länge des mitgerissenen Fisches. Wie in 4 gezeigt ist, führen unterhalb von Aufschlaggeschwindigkeiten zwischen etwa 3-5 m/s alle Verhältnisse der Fischlänge zur Flügeldicke zu einem hohen Überlebensprozentsatz - von mehr als 95 %. Flügel mit einem Verhältnis der Fischlänge zur Flügeldicke von > 9,6 zeigen ein Überleben unterhalb von 50 % bei einer Aufschlaggeschwindigkeit zwischen 7-8 m/s mit einer Tendenz zu einem Überleben von 0 % bei einer Aufschlaggeschwindigkeit von 12 m/s oder mehr. Flügel mit einem Verhältnis der Fischlänge zur Flügeldicke von < 1 können ein Überleben nach einem Aufschlag von 100 % bei einer Aufschlaggeschwindigkeit von 7 m/s, und von > 90 % bei einer Aufschlaggeschwindigkeit von 12 m/s ermöglichen.
Wieder mit Bezug auf 1 sind Wasserturbinen typischerweise in einem Bereich von dimensionslosen Drehzahlen entsprechend der verfügbaren Wasserfallhöhe ausgelegt. Verschiedene herkömmliche Turbinen sind in dem Schaubild gezeigt, einschließlich der Pelton-, Francis- und Kaplanturbine sowie einer kompakten Rohrturbine. Auch die Renaturierungs-Wasserturbine ist gezeigt.
2 ist ein Nomogramm, das für Beziehungen beispielhaft ist, die üblicherweise bei der Auslegung von herkömmlichen Wasserturbinen verwendet werden. Die Nomogramme spezifizieren die typischen Bereiche von Auslegungskennzeichen, wie die dimensionslose Durchmesserzahl der Turbine (δ), den Außendurchmesser des Laufrads (Dt), den Nabendurchmesser (D_h), die Anzahl der Flügel (Z), entsprechend einer besonderen dimensionslosen Geschwindigkeit. Diese Kennzeichen sind an einer beispielhaften Turbine in 3 gezeigt.
Die Drehzahl σ ist direkt proportional zur Turbinenwellengeschwindigkeit n und zur Quadratwurzel der Fließgeschwindigkeit Q und indirekt proportional zur Fallhöhe H hoch 3/4. $σ = \frac{2 n \sqrt{π Q}}{(2 g H) \frac{3}{4}}$
Die dimensionslose Durchmesserzahl δ ist proportional zu dem Turbinendurchmesser und der vierten Wurzel aus der Fallhöhe und indirekt proportional zur achten Wurzel aus der Fließgeschwindigkeit. $δ = \frac{D_{t} \sqrt{π}}{2} \sqrt[4]{\frac{2 g H}{Q^{2}}}$
Typischerweise wird bei der höchsten Wasserfallhöhe eine sehr geringe dimensionslose Geschwindigkeit genutzt, während bei einer geringen Fallhöhe herkömmliche Turbinen mit einer sehr hohen dimensionslosen Geschwindigkeit ausgelegt sind. Teilweise können durch diese Beziehung Wasserkraftturbinen mit einer direkten Kopplung zwischen dem Turbinenlaufrad und dem Stromgenerator gebaut werden, dessen Ausgangsfrequenz gut auf die Frequenzanforderungen des Stromnetzes oder der Stromlast abgestimmt ist. Zusätzlich beruhen herkömmliche Niederdruckturbinen auf schnellen Laufradgeschwindigkeiten, um zum Beispiel die Größe der Turbine zu verringern und auch die Größe und die Kosten für den Generator und jegliche Übersetzung zu verringern. Bei einer hohen Fallhöhe (mehr als 100 Meter) werden typischerweise Impulsturbinen wie Peltonturbinen mit einer Drehzahl von üblicherweise weniger als 0,1 eingesetzt. Bei einer mittleren Fallhöhe (zwischen 30 und 600 Metern) werden typischerweise Halbaxial-Reaktionsturbinen, wie Francisturbinen mit einer Drehzahl zwischen 0,1 und 0,7 verwendet. Axialturbinen, wie Propeller- oder Kaplanturbinen, werden üblicherweise oberhalb einer Drehzahl von etwa 0,5 verwendet, und bei einer Fallhöhe von weniger als 10 Metern werden typischerweise sehr hohe Drehzahlen von mehr als 1,5 verwendet.
Auf herkömmliche Weise ausgelegte Axialturbinenflügel nutzen typischerweise dünne Flügel mit einer relativ scharfen Vorderkante, um das Risiko einer Kavitation sowie die Herstellungskosten zu senken. Eine herkömmliche Vorderkantendicke liegt typischerweise bei weniger als 3 % des Laufraddurchmessers. Bei Niederdruck- und Tiefstdruckwasserkraftanlagen schafft die Kombination aus einer hohen Wellengeschwindigkeit und kleinen Turbinenabmessungen eine Herausforderung, was das Fördern eines sicheren Passierens von Fischen stromabwärts angeht.
Zum Beispiel würde, gemäß den 1-2, eine herkömmlich ausgelegte Turbine zur Anwendung bei einer Fallhöhe von 3 Metern, die 333 kW erzeugt, drei oder vier Flügel mit einem Laufraddurchmesser von etwa 1,73 Metern aufweisen, die sich mit etwa 183 U/min drehen, mit einer Laufradspitzengeschwindigkeit von etwa 16,7 m/s. Herkömmlichen Auslegungsprinzipien folgend beträgt die relative Geschwindigkeit an der Spitze etwa 16,4 m/s. Die Vorderkantendicke des Flügels würde bei etwa 70 mm liegen, und Fische mit einer Länge von 300 mm (Lf/t von 5 gemäß 7), die den Spitzenbereich passieren, haben eine Aufschlagwahrscheinlichkeit von 56 % gemäß der von-Raben-Gleichung, und alle aufgeschlagenen Fische würden sterben, was zu einer Überlebensrate der Fische von 44 % im Spitzenbereich führen würde, wie es in 8 gezeigt ist.
Als weiteres Beispiel würde eine Turbine, die zur Anwendung bei einer Fallhöhe von 7 Metern ausgelegt ist und die 700 kW erzeugt, herkömmlichen Nomogrammen folgend fünf bis sieben Flügel mit einem Turbinendurchmesser von etwa 1,5 Metern gemäß 6 aufweisen, die sich mit etwa 300 U/min drehen und eine Laufradspitzengeschwindigkeit von etwa 23 m/s aufweisen. Herkömmlichen Auslegungsprinzipien folgend beträgt die relative Geschwindigkeit an der Spitze etwa 22 m/s. Die Vorderkantendicke des Flügels würde bei etwa 60 mm liegen; Fische mit einer Länge von 300 mm (Lf/t von 6 gemäß 7), die den Spitzenbereich passieren, haben eine Aufschlagwahrscheinlichkeit von 69 % gemäß der von-Raben-Gleichung, und alle aufgeschlagenen Fische würden sterben, was zu einer Überlebensrate der Fische von 31 % im Spitzenbereich führen würde.
Eine typische Turbine, die mit einer Drehzahl von 0,8 ausgelegt ist, würde typischerweise bei mindestens 25 Metern eingesetzt werden und würde bei einer Durchmesserzahl δ von etwa 1,75 und einem Verhältnis der Nabe zum Spitzendurchmesser von 0,5 sechs bis acht Flügel aufweisen.
Da herkömmlich ausgelegte Turbinen für Fische schädlich sind, können Wasserkraftanlagen einen Einlassschutzschirm erfordern, um Fische daran zu hindern, in die Turbinen zu gelangen. Diese Fischschirme kosten mehr als die üblichen „Abfallrechen“, die normalerweise verwendet werden, um Wasserkraftturbinen vor Schäden zu schützen, indem Fremdkörper ausgeschlossen werden. Abfallrechen bestehen normalerweise aus langen Stangen, die nahe zueinander beabstandet und auf einer Struktur angeordnet sind, die eine planare Fläche gegenüber der Eingangsströmung darstellt. Wenn es nicht erforderlich ist, auch das Mitreißen von Fischen auszuschließen, haben diese Rechen einen Stangenabstand im Bereich zwischen 35 mm bis 75 mm. Abfallrechen können nur sehr große Fische ausschließen. Zum Beispiel kann ein Rechen mit einem Stangenabstand von 50 mm Lachsfische und Heringe mit einer Länge von mehr als 400 mm ausschließen. Um kleine Fische auszuschließen, sind viel feinere Stangenabstände notwendig; ein Stangenabstand zwischen 19 mm bis 25 mm ist erforderlich, um Junglachse auszuschließen, und es ist sogar ein noch feinerer Abstand von 10 mm bis 12 mm erforderlich, um Aale auszuschließen. Feine Schirme zum Ausschließen von Fischen erfordern eine vergrößerte Mantelfläche und höhere Investitionskosten sowie erhöhte Betriebs- und Wartungskosten und einen größeren Fallhöhenverlust im Vergleich zu normalen Abfallrechen.
Herkömmliche Niederdruckturbinen können auch ein großes Saugrohr erfordern, um die Fallhöhe abzufangen. Dies liegt daran, dass die schnellen Laufradgeschwindigkeiten von herkömmlichen Niederdruckturbinen für Wasser, das das Laufrad verlässt, eine hohe Auslassgeschwindigkeit erzeugen. Bei Vertikalachsturbinen muss das Saugrohr um 90° mit einer komplexen dreidimensionalen Form gebogen sein, um eine gute Leistung durch den Formenübergang zu gewährleisten. Die Aushub- und Bauarbeiten, die notwendig sind, um ein Saugrohr einzubauen, können erheblich sein. Während Horizontalachsturbinen eine kleinere Installationsfläche für die Bauarbeiten haben können als Vertikalachsturbinen, stellt das Saugrohr immer noch eine große Komponente sowie hohe Kosten dar. In einigen Fällen muss das Saugrohr möglicherweise aus Beton errichtet werden, was eine umfassende Entwässerung sowie Sondergerüste erfordert. Die hohe Geschwindigkeit von herkömmlichen Niederdruckturbinen erhöht auch die Anfälligkeit dieser Turbinen für eine Kavitation, und um die Kavitation zu verhindern, müssen die Turbinen bis zu einem gewissen Grad unterhalb des Niveaus des Unterwassers eingetaucht werden. Dies erhöht die Baukosten.
Einige hier beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen ein Laufrad für eine Wasserturbine für Niederdruckanwendungen zur Verfügung, das eine sichere Passage von Fischen stromabwärts durch eine Turbine, die das Laufrad enthält, ermöglicht.
In einigen Ausführungsformen hat ein Flügel des Laufrads eine dicke Vorderkante relativ zu einem Durchmesser des Laufrads und relativ zu den Fischen, die die Turbine passieren können. Infolgedessen wird ein Fisch, der auf einen Flügel des Laufrads trifft, wahrscheinlicher einen Flügelaufprall überleben im Vergleich zu einem Fisch, der auf einen Flügel trifft, der eine dünnere Vorderkante relativ zu einem Durchmesser des Laufrads aufweist.
Zusätzlich ist in einigen Ausführungsformen das Verhältnis der maximalen Vorderkantendicke zu einem Durchmesser des Laufrads an einer Spitze des Laufradflügels größer als an einer Nabe des Laufradflügels. Auf diese Weise ist die Schutzwirkung einer dicken Vorderkante relativ zu einem Durchmesser des Laufrads in einem Bereich am größten, in dem die Flügelgeschwindigkeiten (und somit die Aufschlaggeschwindigkeiten) am höchsten sind.
In einigen Ausführungsformen ist eine Vorderkante eines Flügels des Laufrads relativ zu einer radialen Achse des Laufrads nach vorne abgeschrägt. Infolgedessen verringert sich die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit, wodurch sich die Fischsterblichkeit durch einen Aufprall auf den Flügel verringert.
In einigen Ausführungsformen ist das Laufrad in eine Turbine eingebracht. Wasser kann von einem offenen Wasser oder Kanal oder von einem Rohr oder einer Turbinenleitung in die Turbine gelangen und auf Leitschaufeln treffen, die für einen radialen Zustrom, einen axialen Zustrom oder eine Mischung aus radialen und axialen Strömungsrichtungen angeordnet sind. In einigen Ausführungsformen ist die Turbine in eine Wasserkraftinstallation eingebracht.
Die offenbarten Renaturierungs-Wasserturbinen und -Laufräder folgen nicht den herkömmlichen Auslegungsprinzipien. Stattdessen umfassen die hier besprochenen Renaturierungs-Wasserturbinen und -Laufräder einen etwas größeren Laufraddurchmesser und laufen mit einer geringeren Drehzahl als typische Laufräder mit der gleichen Energie und Fallhöhe, haben jedoch eine wesentlich höhere Rate des Fischüberlebens auf Grund eines erheblich größeren Verhältnisses der Vorderkantendicke des Flügels zum Durchmesser und auf Grund abgeschrägter Vorderkanten, die die Aufschlagkraft, die der Fisch erfährt, verringert.
Zum Beispiel dreht sich gemäß 1 und 7 die Renaturierungs-Wasserturbine, die für eine Anwendung mit einer Fallhöhe von 7 Metern bei einer Drehzahl von 0,8 ausgelegt ist und 700 kW erzeugt, mit etwa 160 U/min mit einem Laufraddurchmesser von etwa 2 Metern, einer Spitzengeschwindigkeit von etwa 16,6 m/s und einer relativen Fluidgeschwindigkeit W an der Spitze von etwa 13,6 m/s. Bei drei Flügeln und ausgehend von einer Fischlänge von 300 mm hat die Turbine eine Aufschlagwahrscheinlichkeit von 42 % gemäß der von-Raben-Gleichung. Wenn ein Verhältnis t/Dt von 0,12 gegeben ist, beträgt die Vorderkantendicke der Turbine 238 mm mit einem Abschrägungswinkel der Spitze von 25°, was zu einer normalen Komponente der relativen Geschwindigkeit W_N von 5,8 m/s sowie einem 100-prozentigen Überleben von Fischen, die den Spitzenbereich passieren, führt.
In einem zweiten Beispiel gemäß 1 und 7 würden Renaturierungs-Wasserturbinen und -Laufräder für eine Tiefstdruckanwendung bei einer Fallhöhe von 3 Metern eine Drehzahl von 1,75 aufweisen. Wenn diese Turbine für eine Produktion von 333 kW bemessen wäre, hätte sie einen D_t von 1,77 m und würde sich mit 176 U/min drehen; ihre Spitzengeschwindigkeit würde 16,4 m/s mit einer relativen Fluidgeschwindigkeit W von etwa 15,8 m/s betragen. Ausgehend von einer Fischlänge von 300 mm und von drei Flügeln hat diese Turbine eine Aufschlagwahrscheinlichkeit an der Spitze von 45 % gemäß der von-Raben-Gleichung, aber mit einem Abschrägungswinkel der Spitze von 20°, der normalen Komponente der relativen Geschwindigkeit W_N 5,4 m/s und mit einem gegebenen Verhältnis t/Dt von 0,12, wobei die Vorderkantendicke der Turbine 213 mm beträgt, sollten 100 % der Fische überleben.
Diese und andere Ausführungsformen werden nachstehend genauer anhand der Figuren besprochen.
9A-9F zeigen ein Laufrad 900 gemäß einigen Ausführungsformen. Das Laufrad 900 kann eine Nabe 910 und mehrere Flügel 920, die sich radial von der Nabe 910 erstrecken, aufweisen.
Wie es zum Beispiel in 9A gezeigt ist, kann die Nabe 910 eine zylindrische Konfiguration aufweisen. Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Nabe 910 unterhalb des Laufrads beginnen, sich zu verjüngen. Die Flügel 920 können um einen Umfang der Nabe 910 gleichmäßig beabstandet sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügel 920 schraubenförmig auf der Nabe 910 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen haben die mehreren Flügel 920 des Laufrads 900 alle die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
In der in 9A veranschaulichten Ausführungsform weist das Laufrad 300 drei Flügel 920 auf. In anderen Ausführungsformen kann das Laufrad 900 jedoch zwei Flügel 920 oder mehr als drei Flügel 920 aufweisen. Ein Laufrad mit relativ weniger Flügeln 920 kann zu einer verringerten Fischsterblichkeit führen.
In einigen Ausführungsformen kann das Laufrad 900 eine kompakte Größe aufweisen. Dies kann zum Beispiel einen einfachen Transport des Laufrads 900 ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Durchmesser D_t des Laufrads 900 mindestens etwa 0,5 Meter betragen. Gemäß einem Aspekt kann ein Durchmesser D_t des Laufrads 900 von etwa 0,5 Metern bis etwa 5 Meter, wie zum Beispiel etwa 1 Meter bis etwa 3 Meter, reichen. Eine Länge Lr des Laufrads 900 in Längsrichtung 950 kann zum Beispiel etwa 1,7 Meter bis etwa 2,1 Meter Länge betragen.
Jeder Flügel 920 des Laufrads 900 kann eine Basis 922, die sich an der Nabe 910 befindet, eine Spitze 924 entgegengesetzt zur Basis 922, die einen äußersten Umfang des Flügels 920 in radialer Richtung 960 definiert, eine Vorderkante 926 an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Laufrads 900, eine Hinterkante 928 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Laufrads 900, eine Druckfläche 930 auf einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 920 und eine Saugfläche 932 auf einer stromabwärtigen Seite des Flügels 920 aufweisen.
Das Laufrad 900 kann dafür ausgelegt sein, sich in einer Umfangsrichtung 970 um eine Längsachse 950 zu drehen. In der in 9C gezeigten Ausführungsform ist die Umfangsrichtung 970 zum Beispiel gegen den Uhrzeigersinn, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 920. In anderen Ausführungsformen kann jedoch die Umfangsrichtung 970 im Uhrzeigersinn sein, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 920.
In einigen Ausführungsformen kann das Laufrad 900 in einem Drehzahlbereich von etwa 0,5 bis etwa 2, wie etwa 0,8, laufen, was einem Fallhöhenbereich von etwa 2,5 Metern bis etwa 20 Metern entspricht. Falls das Laufrad 900 zum Beispiel einen Durchmesser D_t von 2 Metern hat und unter einer Nettofallhöhe von 7 Metern arbeitet, kann es sich mit etwa 160 U/min drehen. Bei solchen Drehraten kann die Turbine mit dem Laufrad 900 eine Hydraulikeffizienz von mindestens etwa 80 % oder mindestens etwa 85 % oder mindestens etwa 90 % aufweisen.
In einigen Ausführungsformen können die Flügel 920 derart geformt sein, dass in Längsrichtung 950 durch das Laufrad 900 fließende Flüssigkeit mindestens einen Flügel 920 berührt. Somit können, wie es zum Beispiel in 9C gezeigt ist, die Flügel 920 teilweise einander überlappen, gesehen entlang einer Längsachse 950 des Laufrads 900. Das heißt, wenn das Laufrad 900 entlang einer Längsachse 950 betrachtet wird, kann eine Vorderkante 926 eines ersten Flügels 920 stromaufwärts einer Hinterkante 928 eines zweiten Flügels 920 angeordnet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Hinterkante 928 so geformt sein, dass sie der Form der Vorderkante 926 angenähert ist.
Gemäß einem Aspekt kann die Steigung der Flügel 920 einstellbar sein, um einen größeren Bereich der Betriebsbedingungen mit hoher Effizienz zu ermöglichen. Gemäß einem anderen Aspekt können die Flügel 920 Spitzenversiegelungen aufweisen, die zwischen den Spitzen der Laufradflügel und dem Gehäuse positioniert sind. Die Spitzenversiegelungen können vorbeifließende Leckageströmungen verringern und erhöhte Toleranzen zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse ermöglichen. Gemäß einem weiteren Aspekt kann das Laufrad 900 einen Rand aufweisen, der an dem Außendurchmesser der Flügel 920 angebracht ist, um das Auftreten struktureller Biegung zu verringern.
Das Laufrad 900 und/oder die Flügel 920 können aus jedem geeigneten Material hergestellt und durch jedes geeignete Verfahren ausgebildet werden. In einigen Ausführungsformen sind das Laufrad 900 und/oder die Flügel 920 aus geformtem Kohlenstoff/Glasfaser und Harz hergestellt. In solchen Ausführungsformen kann der Flügel einen aus einem leichtgewichtigen Schaumstoff bestehenden Kern aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen besteht das Laufrad 900 aus Metall, wie zum Beispiel Bronze, rostfreiem Stahl oder dergleichen, und kann durch Gussteile gefertigt sein, die auf die endgültige Form bearbeitet werden. Bei manchen Ausführungsformen besteht das Laufrad 900 aus Verbundstoffen und wird durch herkömmliche Verfahren der Verbundstoffkonstruktion hergestellt. Zum Beispiel kann das Laufrad 900 eine sandwichartige Verbundstoffkonstruktion haben oder eine Scherbahn innerhalb der Struktur aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen besteht das Laufrad 900 aus einem Elastomer oder Polymer, wobei Verstärkungen entweder lokal oder im gesamten Inneren verteilt vorhanden sind.
Der Flügel 920 kann eine Hybridkonstruktion aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen ist die Vorderkante 926 des Flügels 920 bewehrt. Die Vorderkante 926 kann eine Beschichtung aufweisen. Die Vorderkante kann metallisch sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügelspitzen 924 mit einer dicken Schicht von Ablationswerkstoff geformt, so dass die Flügelspitzen 924 in den Innendurchmesser eines Gehäuses einer Turbine abgenutzt werden können (z. B. in den 15A-C gezeigt). Gemäß einem weiteren Aspekt kann die Vorderkante 926 als Sattel oder hyperbolisches Paraboloid geformt sein. Die Form der Vorderkante 926 trägt dazu bei, die Flügelaufschlaggeschwindigkeit zu verringern und versieht den Flügel 920 auch mit einer hohen Steifigkeit und einer starken Verbindung zur Nabe 910. Die Form der Vorderkante 926 trägt ferner dazu bei, das Aufbauen oder Ansammeln von Trümmern an der Stelle zu verhindern, wo die Basis 922 des Flügels 920 auf die Nabe 910 trifft, oder an der Flügelspitze 924, da keine Ecken gebildet werden.
Wie zum Beispiel in den 9D-F gezeigt ist, kann ein Querschnitt des Flügels 920 des Laufrads 900 an der Nabe 910 (9F), an der Meridianlinie 923 ( 9E) oder an der Spitze 224 (9D) genommen werden. Jeder Querschnitt kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen, die in einer Geraden von einer Vorderkante 926 des Flügels 920 zu einer Hinterkante 928 des Flügels 920 gemessen ist. Jeder Querschnitt des Flügels 920 kann eine Vorderkantendicke t_LE und eine maximale Dicke t_max aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 920 kann eine Mittellinie C aufweisen.
Wie zum Beispiel in 9B gezeigt ist, kann der Flügel 920 eine Vorderkante 926 mit einer maximalen Dicke TLE und einer Länge LLE aufweisen. Der Flügel 920 kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen hat das Laufrad 900 einen Flügel mit einem großen Verhältnis der Vorderkantendicke TLE zum Laufraddurchmesser D_t (d. h. T_LE/D_t) relativ zu einer herkömmlichen Niederdruck-Laufradauslegung. Das Verhältnis T_LE/D_t kann etwa 0,06 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14. Zum Beispiel kann das Laufrad 900 einen Durchmesser D_t von etwa 1,75 Metern haben, und der Flügel 920 kann eine Vorderkantendicke T_LE von etwa 145 mm bis etwa 350 mm oder etwa 170 bis 300 mm oder etwa 190 bis 250 mm aufweisen. Ein solches Laufrad kann ein T_LE/D_t -Verhältnis von etwa 0,0,06 bis etwa 0,35, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14 aufweisen. Als weiteres Beispiel kann das Laufrad 900 einen Durchmesser D_t von etwa 2,75 Metern haben, und der Flügel 920 kann eine Vorderkantendicke TLE von etwa 230 mm bis etwa 550 mm oder etwa 250 mm bis 500 mm oder etwa 275 bis 450 mm aufweisen. Ein solches Laufrad kann ein T_LE/D_t - Verhältnis von etwa 0,06 bis etwa 0,35, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14 aufweisen. Ein Verhältnis einer Länge LLE des Turbinenlaufrads zu einem Durchmesser der Turbine D_t kann etwa 0,25 bis etwa 0,75, wie zwischen etwa 0,58 und 0,65, bei einem Laufrad mit drei Flügeln, betragen. Gemäß einem Aspekt kann das Laufrad ein Verhältnis des Nabendurchmessers D_h zum Spitzendurchmesser D_t von etwa 0,35 bis etwa 0,5, wie etwa 0,37 bis etwa 0,42 aufweisen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, kann sich die Fischsterblichkeit daraus ergeben, dass eine Vorderkante 926 eines Flügels 920 eines Laufrads 900 auf einen Fisch 3000 aufschlägt, wenn sich das Laufrad 900 um eine Längsachse 950 des Laufrads 900 dreht. Ein Laufrad 900 mit einem T_LE/D_t-Verhältnis in den vorstehend angegebenen Bereichen führt zu einem erhöhten Prozentsatz des Fischüberlebens (einer verringerten Fischsterblichkeit) im Vergleich zu einem herkömmlichen Laufrad.
Im Allgemeinen kann durch das Erhöhen der Flügeldicke die Menge an Flüssigkeit verringert werden, die durch das Laufrad 900 strömen kann, wodurch die energiespezifische Geschwindigkeit des Laufrads 900 gesenkt wird. Zusätzlich kann das Erhöhen der Flügeldicke die lokale Krümmung des Flügels erhöhen, was das Risiko der Kavitation auf Grund von lokalen Niederdruckzonen erhöhen kann. Diese Probleme werden bei manchen Ausführungsformen der Renaturierungs-Wasserturbine und des Laufrads überwunden, indem eine kleine Anzahl an Flügeln verwendet wird, was dicke Flügel ermöglicht, ohne einen wesentlichen Anteil des Turbinenströmungsbereichs zu entfernen, und wobei die Dicke entlang der Mittellinie graduell verteilt ist.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkantendicke TLE des Flügels 920 an der Vorderkante 926 gleich oder größer als eine Länge einer betreffenden Fischspezies in dem Gebiet sein, in dem eine Turbine mit dem Laufrad 900 installiert werden soll. Zum Beispiel haben Junglachse eine Länge, die im Durchschnitt bei etwa 100 bis 200 mm liegt. Demgemäß kann die Vorderkantendicke TLE des Flügels 920, der in einem Gebiet mit Junglachsen verwendet werden soll, 100 mm bis 200 mm oder mehr betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 910 (L_C,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 900 (D_t) (d. h. L_C,h/D_t) etwa 0,55 bis etwa 0,75 betragen, wie etwa 0,6 bis etwa 0,64. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 924 (Lc,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 900 (D_t) (d. h. Lc,t/Dt) etwa 1,0 bis etwa 1,7 betragen, wie etwa 1,4 bis etwa 1,6.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 910 (L_C,h) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,h/L_LE) etwa 1,5 bis etwa 1,8 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 924 (L_C,t) zur Vorderkantenlänge LLE (d. h. L_C,t/L_LE) etwa 2,5 bis etwa 3,75 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 910 (L_C,h) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,h/CS) etwa 1,35 bis etwa 1,55 betragen, wie etwa 1,48 bis etwa 1,53. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 924 (Lc,t) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. Lc,t/CS) etwa 0,9 bis etwa 1,6, wie etwa 1,35 bis etwa 1,5 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 910 (t_max,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 900 (D_t) (d. h. t_max,h/D_t) etwa 0,25 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 224 (t_max,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 900 (D_t) (d. h. t_max,t/D_t) etwa 0,1 bis etwa 0,25 betragen, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17. Ein Laufrad 900 mit Verhältnissen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche führt zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 910 (t_max,h) zur Sehnenlänge (Lc,h) etwa 0,25 bis etwa 0,35, wie etwa 0,3 zu etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 924 (t_max,t) zur Sehnenlänge (Lc,t) etwa 0,1 bis etwa 0,25, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 920 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands b_h der Mittellinie C_h zur Sehnenlinie L_C,h an der Nabe 910 von etwa 0,05 bis etwa 0,15, wie etwa 0,097 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 920 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands bt der Mittellinie Ct zur Sehnenlinie Lc,t an der Spitze 924 von etwa 0 bis etwa 0,005 aufweisen.
Wie zum Beispiel in 9D-F gezeigt ist, kann die Vorderkante 926 einen Querschnitt basierend auf einem Bogen eines Zylinders aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 926 einen Querschnitt basierend auf einem Kreis, einer Ellipse oder einer anderen Form aufweisen.
Wie zum Beispiel in 9D-F gezeigt ist, kann sich die Dicke des Flügels 920 von der Vorderkante 926 zur Hinterkante 928 verjüngen. Die Dicke des Flügels 920 kann sich derart verjüngen, dass sich die Druckfläche 930 und die Saugfläche 932 an einem Punkt an der Hinterkante 928 des Flügels 220 schneiden. Der Flügel 920 kann auch von der Basis 922 zur Spitze 924 eine durchgehende Dicke aufweisen.
Gemäß einem anderen Aspekt kann die Dicke des Flügels 920 variabel sein. Bei manchen Ausführungsformen ist die Dicke des Flügels 920 an der Spitze 924 des Flügels 920 größer als an der Nabe 910. Wie vorstehend besprochen wurde, erhöht sich die Geschwindigkeit des Flügels 920 von der Basis 922 zur Nabe 924. Infolgedessen ist die Aufschlaggeschwindigkeit des Flügels 920, der auf den Fisch 3000 trifft, nahe der Spitze 924 höher als die Aufschlaggeschwindigkeit des Flügels 920, der auf den Fisch 3000 trifft, nahe der Basis 922. Somit verringert ein zunehmendes Verhältnis T_LE/D des Flügels 920 an der Spitze 924 die Sterblichkeit in Gebieten, in denen der Fisch 3000 am wahrscheinlichsten einen tödlichen Aufprall erleidet.
Wie zum Beispiel in den 9A-F gezeigt ist, kann der Flügel 920 des Laufrads 900 eine Vorderkante 926 aufweisen, die an einer oder mehreren Stellen t, m, h entlang der Vorderkante 926 in einem Winkel θ abgeschrägt ist. Es kann eine Krümmung entlang des Scheitels des Stagnationsbereichs des Flügels von der Nabe zur Spitze gezogen werden, die die Vorderkante des Flügels definiert. Eine Tangente, die an irgendeinem Punkt entlang dieser Krümmung gezogen wird, kann relativ zu einer zylindrischen Oberfläche, koaxial mit der Drehachse des Turbinenlaufrads, die den Punkt schneidet, gemessen werden. Der Abschrägungswinkel wird zwischen der Tangente und einem Vektor gemessen, der auf der zylindrischen Oberfläche liegt, senkrecht zur Vorderkante und zusammenfallend mit dem Schnittpunkt der Hinterkante (wobei dieser Vektor etwa gleich der Richtung des relativen Geschwindigkeitsvektors des Fluids während des normalen Betriebs ist).
Die Fischsterblichkeit ist eine Funktion der normalen Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit beim Aufprall. Daher führt das Verringern der normalen Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit beim Aufprall zu einer verringerten Fischsterblichkeit.
Die normale Geschwindigkeitskomponente kann durch folgende Formel bestimmt werden: $w_{N} = w sin (θ_{1})$
Demgemäß wird die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit für andere Winkel θ als 90°-Winkel verringert. Somit wird die Fischsterblichkeit relativ zu einem stumpfen Flügel an Stellen an der Hinterkante mit einem anderen Abschrägungswinkel θ als einem 90°-Winkel verringert. Diese Ergebnisse werden in der Tat von empirischen Daten unterstützt. 5 zeigt ein Schaubild eines Aufschlagwinkels an der Vorderkante gegenüber einem gesamten Überleben (%) bei verschiedenen Flügelaufschlaggeschwindigkeiten. Wie gezeigt ist, nimmt bei den getesteten Flügelgeschwindigkeiten das Überleben im Allgemeinen zwischen einer Abschrägungswinkelposition von 30° und einer Abschrägungswinkelposition von 90° ab.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 926 an einer Stelle mit einem Winkel θ von etwa 25° bis etwa 45° abgeschrägt sein. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 926 an einer Stelle mit einem Winkel θ von etwa 30° abgeschrägt sein. Bei einem Winkel θ von 30° beträgt die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit die Hälfte der Aufschlaggeschwindigkeit w. Somit beträgt zum Beispiel bei einer freien relativen Stromgeschwindigkeit w von 12 m/s die normale Komponente der Geschwindigkeit w_N an einem Flügelwinkel θ von 30° 6 m/s. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 926 an der Spitze 924 abgeschrägt sein. Wie erwähnt wurde, nimmt die Aufschlaggeschwindigkeit von der Basis 922 des Flügels 920 zur Spitze 924 des Flügels 920 zu, so dass die Spitze 924 des Flügels 920 die größte Aufschlaggeschwindigkeit hat. Somit kann das Versehen der Vorderkante 926 mit einem Abschrägungswinkel θ an der Spitze 924 des Flügels 922 die Sterblichkeit verringern, wo die Fische 3000 ansonsten eher einen tödlichen Aufprall erleiden würden. Das Bereitstellen einer abgeschrägten Vorderkante 926 an der Spitze 924 kann zum Beispiel auch dazu beitragen, das Aufbauen oder Ansammeln von Trümmern an der Spitze 924 zu verhindern.
Bei Niederdruckanwendungen kann die Kraft an der Spitze 924 der Vorderkante 926 ausreichend gering sein, dass auch bei einem größeren Flügelwinkel von etwa 45° ein ausreichend hohes Maß an Sicherheit für Fische erhalten bleibt. Bei Anwendungen mit höheren Fallhöhen arbeitet das Laufrad 900 bei höheren Geschwindigkeiten, was die Aufschlaggeschwindigkeit erhöht. Um die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit bei höheren Drehzahlen zu verringern, kann ein steilerer Winkel, z. B. etwa 35° oder weniger, erforderlich sein, um die normale Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit auf ein gewünschtes Maß zu verringern, z. B. unter etwa 7 m/s, um ein ausreichend hohes Maß an Sicherheit für Fische beizubehalten.
Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 926 an einer Stelle zwischen der Basis 922 und der Spitze 924 abgeschrägt sein. Aus den gleichen Gründen, die vorstehend mit Bezug auf das Bereitstellen einer Vorderkante 926 mit einem Abschrägungswinkel an der Spitze 924 besprochen wurden, kann das Bereitstellen einer Vorderkante 926 mit einem Abschrägungswinkel θ in einem Bereich zwischen der Basis 922 und der Spitze 924 die Sterblichkeit verringern, wobei Fische 3000 relativ wahrscheinlich einen tödlichen Aufprall erleiden.
Bei manchen Ausführungsformen, wie es zum Beispiel in 9C gezeigt ist, kann der Abschrägungswinkel θ an der Spitze 924 des Flügels 922 kleiner sein als die Abschrägung θ an der Basis 920 und/oder einer Stelle zwischen der Basis 922 und der Spitze 924.
Bei manchen Ausführungsformen kann, wie zum Beispiel in 9C gezeigt ist, die Vorderkante 926 an der Basis 922 abgeschrägt sein. Der Abschrägungswinkel der Vorderkante 926 des Flügels 920 an der Basis 922 kann zum Beispiel etwa 10° bis etwa 90° betragen, wie etwa 25° bis etwa 45°. Zusätzlich zum Verbessern des Überlebens von Fischen 3000, die auf den Flügel 920 an der Basis 922 auftreffen, kann das Bereitstellen einer abgeschrägten Vorderkante 926 an der Basis 922 zum Beispiel auch dazu beitragen, das Aufbauen oder Ansammeln von Trümmern zu verhindern, wo die Basis 922 des Flügels 920 auf die Nabe 910 trifft.
Bei manchen Ausführungsformen, wie zum Beispiel in 9B gezeigt ist, kann die Vorderkante 926 des Flügels 920 derart abgeschrägt sein, dass die Vorderkante 926 bogenförmig ist. Bei anderen Ausführungsformen kann die Vorderkante 926 eine C-Form, eine halbkreisförmige Form, eine Parabolform, eine konische Form oder eine andere Form aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen, wie zum Beispiel in 9C gezeigt ist, kann sich die Vorderkante 926 des Flügels 920 zur Hinterkante 928 des Flügels 920 in der Nähe der Nabe 910 krümmen, so dass die Vorderkante 926 eine konkave Form aufweist. Dadurch können zum Beispiel kleinere Winkel an der Spitze 924 erreicht werden, ohne dass eine freitragende Spitze geschaffen wird, wie es genauer besprochen wird.
Bei manchen Ausführungsformen, wie zum Beispiel in den 9A-F gezeigt ist, kann die Vorderkante 926 des Flügels 920 an der Basis 922 in einem ersten Winkel θ abgeschrägt sein, und die Vorderkante 926 des Flügels 920 an der Spitze 924 kann in dem gleichen Winkel θ abgeschrägt sein.
Bei manchen Ausführungsformen können die Basis 922 der Vorderkante 926 des Flügels 920 und die Spitze 924 der Vorderkante 926 des Flügels 920 jeweils entlang einer radialen Achse 960 positioniert sein. Bei anderen Ausführungsformen ist jedoch die Basis 922 der Vorderkante 926 des Flügels 920 entlang einer radialen Achse 960 des Laufrads 900 positioniert, und die Spitze 924 der Vorderkante 926 erstreckt sich in Umfangsrichtung 970 über die radiale Achse 960 hinaus. Somit kann die Vorderkante 926 des Flügels 920 freitragend sein.
Da sich die Spitze 924 an der Vorderkante 926 in Umfangsrichtung 970 weiter über die radiale Achse 960 hinaus erstreckt, kann ein kleinerer Winkel erreicht werden. Wie besprochen wurde, kann dies zu einer geringeren normalen Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit w_N beim Aufprall führen. Wenn der Winkel jedoch weiter abnimmt, kann auch die Bausteifigkeit des Flügels abnehmen. Dies kann zu erhöhten Herstellungskosten führen, um Mindestanforderungen an die Bausteifigkeit des Flügels beizubehalten. Die Bausteifigkeit kann zum Beispiel erforderlich sein, um die Spitze 924 des Flügels 920 innerhalb der engen Toleranzen des Gehäuses einer Turbine zu halten.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Laufrad 900 dafür ausgelegt, sich so zu drehen, dass eine Aufschlaggeschwindigkeit etwa 7 m/s oder weniger beträgt, um ein sicheres Passieren der Fische zu ermöglichen. Durch Bereitstellen einer abgeschrägten Vorderkante 926 wird die Aufschlaggeschwindigkeit wirksam verringert, wodurch sich das Laufrad 900 mit einer höheren Geschwindigkeit drehen kann, um eine energiespezifische Geschwindigkeit und eine wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des Laufrads 900 zu verbessern, während das sichere Passieren von Fischen erhalten bleibt.
Wie vorstehend besprochen wurde, kann sich die Fischsterblichkeit daraus ergeben, dass die Vorderkante 926 des Flügels 920 eines Laufrads 900 auf einen Fisch 3000 aufschlägt, wenn sich das Laufrad 900 um eine Längsachse 950 dreht. Je mehr Flügel sich auf einem Laufrad befinden, desto wahrscheinlicher ist es, dass ein Fisch von einem Flügel getroffen wird, während er die Turbine passiert. Somit führt das Verringern der Anzahl von Flügeln im Allgemeinen zu einer verringerten Fischsterblichkeit. Das Verringern der Anzahl der Flügel 920 auf dem Laufrad 900 kann auch die Rotorstabilität (das Verhältnis der gesamten Fläche der Rotorflügel zum überstrichenen Bereich des Rotors) und somit das Blockieren der Strömung von Flüssigkeit durch das Laufrad 900 verringern.
Ferner kann ein Laufrad 900 mit weniger Flügeln 920 dafür ausgelegt sein, eine erhöhte Flügeldicke relativ zu einem Laufrad mit zusätzlichen Flügeln aufzuweisen, während die gleiche Menge an Flüssigkeit das Laufrad passieren kann. Zum Beispiel kann ein Laufrad 900 mit zwei Flügeln 920 eine größere Vorderkantendicke TLE und ein ausreichend hohes Maß an Sicherheit für die Fische im Vergleich zu einem Laufrad 900 mit drei Flügeln 920 haben, während der gleiche Strom von Flüssigkeit durch das Laufrad 900 beibehalten wird.
Ein Laufrad mit weniger Flügeln hat jedoch im Allgemeinen eine größere axiale Länge als ein Laufrad mit zusätzlichen Flügeln, wobei davon ausgegangen wird, dass das Verhältnis des Flügelabstands zur Sehne konstant gehalten wird, und da das Laufrad mit weniger Flügeln Flügel mit einer größeren Sehnenlänge aufweisen wird. Zum Beispiel muss das Verhältnis der Fischlänge zur Vorderkantendicke des Flügels zunehmen, wenn die Menge der Flügel zunimmt, sofern die Gestaltung ein gleichmäßiges Blockieren der Flügel beibehält. Somit kann die Anzahl an Flügeln, die für ein besonderes Laufrad ausgewählt wird, von einer Vielfalt von Überlegungen abhängen.
Die 10A-10G zeigen ein Laufrad 1000 gemäß einer Ausführungsform. Das Laufrad 1000 kann einige oder alle der Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen enthalten, die vorstehend mit Bezug auf das Laufrad 900 besprochen wurden.
Das Laufrad 1000 kann eine Nabe 1010 und mehrere Flügel 1020, die sich radial von der Nabe 1010 erstrecken, aufweisen. Jeder Flügel 1020 des Laufrads 1000 kann eine Basis 1022, die sich an der Nabe 1010 befindet, eine Spitze 1024 entgegengesetzt zur Basis 1022, die einen äußersten Umfang des Flügels 1020 in radialer Richtung 1060 definiert, eine Vorderkante 1026 an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Laufrads 1000, eine Hinterkante 1028 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Laufrads 1000, eine Druckfläche 1030 auf einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 1020 und eine Saugfläche 1032 auf einer stromabwärtigen Seite des Flügels 1020 aufweisen. Das Laufrad 1000 kann dafür ausgelegt sein, sich in einer Umfangsrichtung 1070 um eine Längsachse 1050 zu drehen. Wie zum Beispiel in 10C gezeigt ist, ist die Umfangsrichtung 1070 gegen den Uhrzeigersinn, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1000. Bei anderen Ausführungsformen kann die Umfangsrichtung 1070 jedoch im Uhrzeigersinn sein, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1000.
Bei manchen Ausführungsformen kann das Laufrad 1000 in einem Bereich von Drehzahlen σ arbeiten, der von etwa 0,5 bis etwa 2 reicht, wie etwa 0,8. Falls zum Beispiel das Laufrad 200 einen Durchmesser D_t von 2 Metern hat und unter einer Nettofallhöhe von 7 Metern arbeitet, kann es sich mit etwa 160 U/min drehen.
Die Nabe 1010 hat eine zylindrische Konfiguration, die sich an einem Ende nach innen verjüngt. Wie zum Beispiel in 10B gezeigt ist, beginnt die Nabe 1010 sich innerhalb der Spannweite der Flügel 1020 zu verjüngen (d. h. die Nabe 1010 verjüngt sich, wo die Flügel 1020 auf die Nabe 1010 treffen). Bei anderen Ausführungsformen beginnt die Nabe 1010 jedoch sich stromabwärts der Flügel 1020 zu verjüngen. Eine Verjüngung, die innerhalb der Spannweite von Flügeln 1020 beginnt, kann zum Beispiel zu einer insgesamten Verringerung der Laufradlänge führen (im Vergleich zu einem Laufrad mit einer Nabe, die beginnt, sich stromabwärts von Flügeln 1020 zu verjüngen). Eine Verringerung der Laufradlänge kann wiederum zu geringeren Herstellungs- und/oder Installationskosten führen. Die Rate, mit der sich die Nabe 1010 nach innen verjüngt, kann anders sein, als sie zum Beispiel in 10B gezeigt ist. Eine steile Verjüngung kann dazu führen, dass sich die Strömung teilt, und ungünstige Bedingungen stromabwärts der Turbine verursachen, was zu Effizienzverlusten führt. Eine flache Verjüngung kann zu einem unnötig großen Laufrad und/oder zu unnötigen Material- oder Herstellungskosten führen.
Das Laufrad 1000 enthält drei Flügel 1020. In anderen Ausführungsformen kann das Laufrad 1000 jedoch zwei Flügel 1020 oder mehr als drei Flügel 1020 aufweisen. Wie vorstehend besprochen wurde, kann das Bereitstellen von relativ wenigen Flügeln zu einer verringerten Fischsterblichkeit und einer verringerten Rotorstabilität (Verhältnis der Gesamtfläche der Rotorflügel zu dem überstrichenen Bereich des Rotors) und somit zu einem Blockieren des Stroms durch das Laufrad 1000 führen. Die Flügel 1020 können um einen Umfang der Nabe 1010 gleichmäßig beabstandet sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügel 1020 schraubenförmig auf der Nabe 1010 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen haben die mehreren Flügel 1020 des Laufrads 1000 alle die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
Der Flügel 1020 hat eine dicke gerade Vorderkante. Die dicke Vorderkante fördert die Sicherheit der Fische, während der Vorteil des Aufbaus eines Flügels auf diese Weise in seiner baulichen Einfachheit im Vergleich zu einem Laufrad mit einer freitragenden Vorderkante liegt. Um die Effizienz zu maximieren, kann jedoch eine größere Zahl von Flügeln erforderlich sein, um eine ausreichende Stabilität an der Spitze beizubehalten. Hierbei wird die energiespezifische Laufradgeschwindigkeit verringert (es wird bei der gleichen Fallhöhe und mit dem gleichen Durchmesser weniger Energie erzeugt), im Vergleich zu einem abgeschrägten Laufrad mit der gleichen Vorderkantendicke und -stabilität.
Der Flügel 1020 hat eine relativ gerade Vorderkante 1026, die radial von der Nabe ausgeht. Ein Flügel mit einer relativ geraden Vorderkante, wie einer Vorderkante 1026, kam relativ einfach oder kostengünstig herzustellen sein, im Vergleich zu einem Flügel mit einer abgeschrägten Vorderkante.
Der Flügel 1020 kann eine Vorderkantendicke TLE und eine Länge LLE aufweisen. Das Verhältnis der Vorderkantendicke TLE zum Laufraddurchmesser D_R (d. h. T_LE/D_R) des Laufrads 1000 ist relativ zu einer herkömmlichen Auslegung eines Niederdrucklaufrads groß. Das T_LE/D_t kann etwa 0,06 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14. Wie besprochen, führt dieses T_LE/D_R-Verhältnis zu einer verringerten Fischsterblichkeit im Vergleich zu einem herkömmlichen Laufrad.
Wie zum Beispiel in den 10D-F gezeigt ist, kann ein Querschnitt des Flügels 1020 des Laufrads 1000 an der Nabe 1010 (10F), an der Meridianlinie 1023 (10E) oder an der Spitze 1024 (10D) genommen werden. Jeder Querschnitt kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1020 kann eine maximale Dicke t_max aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1020 kann eine Mittellinie C aufweisen. Der Flügel 1020 kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1010 (L_C,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1020 (D_t) (d. h. L_C,h/D_t) etwa 0,55 bis etwa 0,75 betragen, wie etwa 0,6 bis etwa 0,64. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1024 (Lc,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1000 (D_t) (d. h. Lc,t/Dt) etwa 1,0 bis etwa 1,7 betragen, wie etwa 1,4 bis etwa 1,6.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1010 (L_C,h) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,h/L_LE) etwa 1,5 bis etwa 1,8 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1024 (L_C,t) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,t/L_LE) etwa 2,5 bis etwa 3,75 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1010 (L_C,h) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,h/CS) etwa 1,35 bis etwa 1,55 betragen, wie etwa 1,48 bis etwa 1,53. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1024 (Lc,t) zu einem Umfangsabstand (CS) (d. h. Lc,t/CS) etwa 0,9 bis etwa 1,6, wie etwa 1,35 bis etwa 1,5 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1010 (t_max,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1000 (D_t) (d. h. t_max,h/D_t) etwa 0,25 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1024 (t_max,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1000 (D_t) (d. h. t_max,t/D_t) etwa 0,1 bis etwa 0,25 betragen, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17. Ein Laufrad 1000 mit Verhältnissen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche führt zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad.
Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1010 (t_max,h) zur Sehnenlänge (Lc,h) etwa 0,25 bis etwa 0,35, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1024 (t_max,t) zur Sehnenlänge (Lc,t) etwa 0,1 bis etwa 0,25, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1020 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands b_h der Mittellinie C_h zur Sehnenlinie L_C,h an der Nabe 1010 von etwa 0,05 bis etwa 0,15, wie etwa 0,097 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1020 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands bt der Mittellinie Ct zur Sehnenlinie Lc,t an der Spitze 1024 von etwa 0 bis etwa 0,005 aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen können die Flügel 1020 so geformt sein, dass Flüssigkeit, die das Laufrad 1000 in Längsrichtung 1050 passiert, mindestens einen Flügel 1020 berührt, wie oben mit Bezug auf die 9A-F besprochen. In einigen Ausführungsformen kann die Hinterkante 1028 so geformt sein, dass sie der Form der Vorderkante 1026 angenähert ist.
Die 11A-11G zeigen ein Laufrad 1100 gemäß einer Ausführungsform. Das Laufrad 1100 kann einige oder alle der Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen enthalten, die vorstehend mit Bezug auf das Laufrad 900 besprochen wurden.
Das Laufrad 1100 kann eine Nabe 1110 und mehrere Flügel 1120, die sich radial von der Nabe 1110 erstrecken, aufweisen. Jeder Flügel 1120 des Laufrads 1100 kann eine Basis 1122, die sich an der Nabe 1110 befindet, eine Spitze 1124 entgegengesetzt zur Basis 1122, die einen äußersten Umfang des Flügels 1120 in radialer Richtung 1160 definiert, eine Vorderkante 1126 an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Laufrads 1100, eine Hinterkante 1128 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Laufrads 1100, eine Druckfläche 1130 auf einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 1120 und eine Saugfläche 1132 auf einer stromabwärtigen Seite des Flügels 1120 aufweisen. Das Laufrad 1100 kann so ausgelegt sein, dass es sich um eine Längsachse 1150 in eine Umfangsrichtung 1170 dreht. Wie zum Beispiel in 11C gezeigt ist, ist die Umfangsrichtung 1170 gegen den Uhrzeigersinn, gesehen aus einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1100. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch die Umfangsrichtung 1170 im Uhrzeigersinn sein, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1100.
Der Flügel 1120 hat eine gerade Vorderkante, deren Dicke sich von der Nabe zur Spitze ändert. Die Vorderkantendicke ist an der Spitze größer als an der Nabe. Dies ermöglicht ein geringeres Verhältnis L_f/t_LE an der Stelle, wo die Aufschlaggeschwindigkeit am höchsten ist. Auf diese Weise werden Material und Platz effizient genutzt. Zusätzlich wirkt der dickere Flügelquerschnitt dahingehend, die wirksame Stabilität der Laufradflügelkaskade zu erhöhen, was potenziell die Verwendung einer geringeren Anzahl an Flügeln (z. B. eher drei als vier Flügel) ermöglicht. Eine gerade Vorderkante ermöglicht einfachere bauliche Anforderungen im Vergleich zu einem Flügel mit einer freitragenden Vorderkante. Zum Beispiel benötigt man bei einer geraden Vorderkante weniger Material und weniger Kosten bei der Herstellung eines Laufrads, das Kriterien für minimale radiale Biegungen unter einer zentripetalen Last erfüllt, im Vergleich zu einem Flügel mit einer freitragenden Vorderkante.
In einigen Ausführungsformen kann das Laufrad 1100 in einem Drehzahlbereich σ von etwa 0,5 bis etwa 2 arbeiten, wie etwa 0,8, was einem Fallhöhenbereich von etwa 2,5 Metern bis etwa 20 Metern entspricht. Falls zum Beispiel das Laufrad 200 einen Durchmesser D_t von 2 Metern hat und unter einer Nettofallhöhe von 7 Metern arbeitet, kann es sich mit etwa 160 U/min drehen.
Die Nabe 1110 hat eine zylindrische Konfiguration, die sich an einem Ende nach innen verjüngt. Wie zum Beispiel in 11B gezeigt ist, beginnt die Nabe 1110 sich innerhalb der Spannweite der Flügel 1120 zu verjüngen (d. h. die Nabe 1110 verjüngt sich, wo die Flügel 1120 auf die Nabe 1110 treffen). Bei anderen Ausführungsformen beginnt die Nabe 1110 jedoch, sich stromabwärts der Flügel 1120 zu verjüngen. Das Laufrad 1100 enthält drei Flügel 1120. In anderen Ausführungsformen kann das Laufrad 1100 jedoch zwei Flügel 1120 oder mehr als drei Flügel 1120 aufweisen. Wie vorstehend besprochen wurde, kann das Bereitstellen von relativ wenigen Flügeln zu einer verringerten Fischsterblichkeit und einer verringerten Rotorstabilität (Verhältnis der Gesamtfläche der Rotorflügel zu dem überstrichenen Bereich des Rotors) und somit zu einem Blockieren des Stroms durch das Laufrad 1100 führen. Die Flügel 1120 können um einen Umfang der Nabe 1110 gleichmäßig beabstandet sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügel 1120 schraubenförmig auf der Nabe 1110 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen haben die mehreren Flügel 1120 des Laufrads 1100 alle die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
Der Flügel 1120 hat eine relativ gerade Vorderkante 1126. Ein Flügel mit einer relativ geraden Vorderkante, wie einer Vorderkante 1126, kam relativ einfach oder kostengünstig herzustellen sein, im Vergleich zu einem Flügel mit einer abgeschrägten Vorderkante.
Der Flügel 1120 kann eine Vorderkantendicke TLE und eine Länge LLE aufweisen. Das Verhältnis der Vorderkantendicke zum Laufraddurchmesser (d. h. T_LE/D_t) des Laufrads 1100 beträgt etwa 0,125. Bei anderen Ausführungsformen kann das Verhältnis T_LE/D_t etwa 0,06 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14. Wie besprochen, führt dieses T_LE,max/D_t-Verhältnis zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad.
Wie zum Beispiel in den 11D-11F gezeigt ist, kann das Verhältnis der Vorderkantendicke zum Laufraddurchmesser (d. h. T_LE/D) des Flügels 1120 an der Spitze 1124 des Flügels 1120 größer sein als an der Nabe 1110 des Flügels 1120. Wie vorstehend besprochen wurde, erhöht sich die Aufschlaggeschwindigkeit von der Basis 1122 zur Nabe 1124. Somit verringert ein zunehmendes Verhältnis T_LE/D des Flügels 1120 an der Spitze 1124 die Sterblichkeit in Gebieten, in denen der Fisch am wahrscheinlichsten einen tödlichen Aufprall erleidet.
Wie zum Beispiel in den 11D-F gezeigt ist, kann ein Querschnitt des Flügels 1120 des Laufrads 1100 an der Nabe 1110 (11F), an der Meridianlinie 1123 (11E) oder an der Spitze 1124 (11D) genommen werden. Jeder Querschnitt kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1120 kann eine maximale Dicke t_max aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1120 kann eine Mittellinie C aufweisen. Der Flügel 1120 kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1110 (L_C,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1120 (D_t) (d. h. L_C,h/D_t) etwa 0,55 bis etwa 0,75 betragen, wie etwa 0,6 bis etwa 0,64. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1024 (Lc,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1000 (D_t) (d. h. Lc,t/Dt) etwa 1,0 bis etwa 1,7 betragen, wie etwa 1,4 bis etwa 1,6.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1110 (L_C,h) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,h/L_LE) etwa 1,5 bis etwa 1,8 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1124 (Lc,t) zur Vorderkantenlänge LLE (d. h. L_C,t/L_LE) etwa 2,5 bis etwa 3,75 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1110 (L_C,h) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,h/CS) etwa 1,35 bis etwa 1,55 betragen, wie etwa 1,48 bis etwa 1,53. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1124 (Lc,t) zu einem Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,t/CS) etwa 0,9 bis etwa 1,6, wie etwa 1,35 bis etwa 1,5 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1110 (t_max,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1100 (D_t) (d. h. t_max,h/D_t) etwa 0,25 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1124 (t_max,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1100 (D_t) (d. h. t_max,t/D_t) etwa 0,1 bis etwa 0,25 betragen, wie etwa 0,15 bis etwa, 0,17. Ein Laufrad 1100 mit Verhältnissen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche führt zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad.
Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1110 (t_max,h) zur Sehnenlänge (Lc,h) etwa 0,25 bis etwa 0,35, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1124 (t_max,t) zur Sehnenlänge (Lc,t) etwa 0,1 bis etwa 0,25, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1120 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands b_h der Mittellinie C_h zur Sehnenlinie L_C,h an der Nabe 1110 von etwa 0,05 bis etwa 0,15, wie etwa 0,097 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1120 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands bt der Mittellinie Ct zur Sehnenlinie Lc,t an der Spitze 1124 von etwa 0 bis etwa 0,005 aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen können Flügel 1120 derart geformt sein, dass Flüssigkeit, die das Laufrad 1100 in Längsrichtung 1150 passiert, mindestens einen Flügel 1120 berührt, wie vorstehend mit Bezug auf die 9A-F besprochen wurde. In einigen Ausführungsformen kann die Hinterkante 1128 so geformt sein, dass sie der Form der Vorderkante 1126 angenähert ist.
Die 12A-12G zeigen ein Laufrad 1200 gemäß einer Ausführungsform. Das Laufrad 1200 kann einige oder alle der Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen enthalten, die vorstehend mit Bezug auf das Laufrad 900 besprochen wurden.
Das Laufrad 1200 kann eine Nabe 1210 und mehrere Flügel 1220, die sich radial von der Nabe 1210 erstrecken, aufweisen. Jeder Flügel 1220 des Laufrads 1200 kann eine Basis 1222, die sich an der Nabe 1210 befindet, eine Spitze 1224 entgegengesetzt zur Basis 1222, die einen äußersten Umfang des Flügels 1220 in radialer Richtung 1260 definiert, eine Vorderkante 1226 an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Laufrads 1200, eine Hinterkante 1228 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Laufrads 1200, eine Druckfläche 1230 auf einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 1220 und eine Saugfläche 1232 auf einer stromabwärtigen Seite des Flügels 1220 aufweisen. Das Laufrad 1200 kann dafür ausgelegt sein, sich in Umfangsrichtung 1270 um eine Längsachse 1250 zu drehen. Wie zum Beispiel in 12C gezeigt ist, ist die Umfangsrichtung 1270 gegen den Uhrzeigersinn, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1200. Bei anderen Ausführungsformen kann die Umfangsrichtung 1270 jedoch im Uhrzeigersinn sein, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1200.
Der Flügel 1220 hat eine dicke, gekrümmte Vorderkante ohne signifikante Auskragung. Die konkave Krümmung der Vorderkante (gesehen stromaufwärts, wie in 12C) ermöglicht es der Flügelvorderkante, in einem abgeschrägten Winkel θ auf einen Fisch zu treffen, wie in 9C veranschaulicht ist. Dieser abgeschrägte Winkel verringert die vom Fisch wahrgenommene Kraft im Vergleich zu einem Kontakt mit einem geradkantigen Flügel, der nicht relativ zum Weg des Fisches abgeschrägt ist, und verbessert seine Chance auf das Überleben bei einem Aufschlag. Das in 12 veranschaulichte Laufrad hat keine stark freitragende Spitze. Wie in 12C gezeigt ist, geht die Spitze des Laufradflügels nicht von einer radialen Linie, die durch den Verbindungspunkt zwischen der Flügelbasis und der Flügelnabe 1260 hindurchgeht, nach vorne. Somit werden selbstinduzierte Momentbelastungen auf den Flügel auf Grund von zentripetalen Kräften im Vergleich zu einem Flügel mit einem größeren Betrag an freitragender Masse gering sein. Infolgedessen wird dieser Laufradflügel relativ einfacher herzustellen sein. Die Vorwärtspfeilung des Flügels in die Strömung an seinem Schnittpunkt mit sowohl der Nabe als auch dem Außenumfang der Turbine fördert die Fähigkeit des Laufrads, Fremdkörper, wie Abfall oder Fisch, zu passieren, ohne die Möglichkeit, dass solche Materialien in einem Keil oder einer zusammenlaufenden Ecke festgehalten werden.
Bei manchen Ausführungsformen kann das Laufrad 1200 in einem Bereich von Drehzahlen σ arbeiten, der von etwa 0,5 bis etwa 2 reicht, wie etwa 0,8. Falls zum Beispiel das Laufrad 200 einen Durchmesser D_t von 2 Metern hat und unter einer Nettofallhöhe von 7 Metern arbeitet, kann es sich mit etwa 160 U/min drehen.
Die Nabe 1210 hat eine zylindrische Konfiguration, die sich an einem Ende nach innen verjüngt. Wie zum Beispiel in 12B gezeigt ist, beginnt die Nabe 1210 sich innerhalb der Spannweite der Flügel 1220 zu verjüngen (d. h. die Nabe 1210 verjüngt sich, wo die Flügel 1220 auf die Nabe 1210 treffen). Bei anderen Ausführungsformen beginnt sich die Nabe 1210 jedoch stromabwärts der Flügel 1220 zu verjüngen.
Das Laufrad 1200 enthält drei Flügel 1220. In anderen Ausführungsformen kann das Laufrad 1200 jedoch zwei Flügel 1220 oder mehr als drei Flügel 1220 aufweisen. Wie vorstehend besprochen wurde, kann das Bereitstellen von relativ wenigen Flügeln zu einer verringerten Fischsterblichkeit und einer verringerten Rotorstabilität (Verhältnis der Gesamtfläche der Rotorflügel zu dem überstrichenen Bereich des Rotors) und somit zu einem Blockieren des Stroms durch das Laufrad 1200 führen. Die Flügel 1220 können um einen Umfang der Nabe 1210 gleichmäßig beabstandet sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügel 1220 schraubenförmig auf der Nabe 1210 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen haben die mehreren Flügel 1220 des Laufrads 1200 alle die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
Der Flügel 1220 kann eine Vorderkantendicke TLE und eine Länge LLE aufweisen. Das Verhältnis der Vorderkantendicke TLE zum Laufraddurchmesser D_R (d. h. T_LE/D_R) des Laufrads 1200 ist relativ zu einer herkömmlichen Auslegung eines Niederdrucklaufrads groß. Das Verhältnis T_LE/D_t kann etwa 0,06 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14. Wie besprochen, führt dieses T_LE/D_R- Verhältnis zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad. Wie zum Beispiel in den 12D-F gezeigt ist, kann ein Querschnitt des Flügels 1220 des Laufrads 1200 an der Nabe 1210 (12F), an der Meridianlinie 1223 (12E) oder an der Spitze 1224 (12D) genommen werden. Jeder Querschnitt kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1220 kann eine maximale Dicke tmax aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1220 kann eine Mittellinie C aufweisen. Der Flügel 1220 kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1210 (L_C,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1200 (D_t) (d. h. L_C,h/D_t) etwa 0,55 bis etwa 0,75 betragen, wie etwa 0,6 bis etwa 0,64. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1224 (Lc,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1200 (D_t) (d. h. L_C,t/D_t) etwa 1,0 bis etwa 1,7 betragen, wie etwa 1,4 bis etwa 1,6.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1210 (L_C,h) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,h/L_LE) etwa 1,5 bis etwa 1,8 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1224 (Lc,t) zur Vorderkantenlänge L_LE(d. h. L_C,t/L_LE) etwa 2,5 bis etwa 3,75 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1210 (L_C,h) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,h/CS) etwa 1,35 bis etwa 1,55 betragen, wie etwa 1,48 bis etwa 1,53. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1224 (Lc,t) zu einem Umfangsabstand (CS) (d. h. Lc,t/CS) etwa 0,9 bis etwa 1,6, wie etwa 1,35 bis etwa 1,5 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1210 (t_max,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1200 (D_t) (d. h. t_max,h/D_t) etwa 0,25 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1224 (t_max,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1200 (D_t) (d. h. t_max,t/D_t) etwa 0,1 bis etwa 0,25 betragen, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17. Ein Laufrad 1200 mit Verhältnissen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche führt zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad.
Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1210 (t_max,h) zur Sehnenlänge (Lc,h) etwa 0,25 bis etwa 0,35, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1224 (t_max,t) zur Sehnenlänge (Lc,t) etwa 0,1 bis etwa 0,25, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1220 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands b_h der Mittellinie C_h zur Sehnenlinie L_C,h an der Nabe 1210 von etwa 0,05 bis etwa 0,15, wie etwa 0,097 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1220 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands bt der Mittellinie Ct zur Sehnenlinie Lc,t an der Spitze 1224 von etwa 0 bis etwa 0,005 aufweisen.
Der Flügel 1220 kann eine bogenförmige Vorderkante 1226 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 1226 eine halbkreisförmige Form, eine Parabolform, eine konische Form oder eine andere Form aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 1226 gerade sein.
Wie zum Beispiel in 12C gezeigt ist, ist die Vorderkante 1226 des Flügels 220 zwischen der Basis 1222 und einer Zwischenstelle I nach hinten abgeschrägt (d. h. entgegengesetzt zur Umfangsrichtung 1270), und zwischen der Zwischenstelle I und der Spitze 1224 nach vorne abgeschrägt (d. h. in Umfangsrichtung 1270). Der Abschrägungswinkel nimmt von der Basis 1222 zur Zwischenstelle I kontinuierlich ab. An der Stelle I beträgt der Abschrägungswinkel etwa 90°. Der Abschrägungswinkel nimmt von der Zwischenstelle I zur Spitze 1224 kontinuierlich ab. Der Abschrägungswinkel an der Spitze 1224 θ_t beträgt etwa 45°. Die Zwischenstelle I befindet sich ungefähr auf halber Strecke zwischen der Basis 1222 und der Spitze 1224 (in radialer Richtung 1260), so dass die Vorderkante 1226 über ungefähr die gleiche radiale Distanz nach hinten abgeschrägt ist, wie sie nach vorne abgeschrägt ist.
Wie besprochen wurde, ist die Fischsterblichkeit eine Funktion der normalen Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit, und die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit wird bei anderen Abschrägungswinkeln θ als 90°-Winkeln verringert. Die Vorderkante 1226 des Flügels 1220 hat, außer an der Zwischenstelle I, einen anderen Abschrägungswinkel als 90°. Somit verringert sich die Fischsterblichkeit (relativ zu einem geraden Flügel).
Wie erwähnt wurde, nimmt der Abschrägungswinkel der Vorderkante 1226 des Flügels 1220 von der Zwischenstelle I, an der der Abschrägungswinkel ungefähr 90° beträgt, zur Spitze 1224 kontinuierlich ab. Infolgedessen verringert sich die normale Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit w_N von der Zwischenstelle I zur Spitze 1224 in einem größeren Ausmaß, was bedeutet, dass die Sterblichkeit von der Zwischenstelle I zur Spitze 1224 in einem größeren Ausmaß abnimmt. Die Tangentialgeschwindigkeit des Flügels nimmt im Allgemeinen von der Basis 1222 zur Spitze 1224 zu. Somit verringert die kontinuierliche Abnahme des Abschrägungswinkels von der Zwischenstelle I zur Spitze 1224 die Sterblichkeit in einem größeren Ausmaß, wenn die Tangentialgeschwindigkeit relativ hoch ist.
Wie zum Beispiel in 12C gezeigt ist, ist die Vorderkante 1226 an der Basis 1222 jenseits der Vorderkante 1226 an der Spitze 1224 (in Umfangsrichtung 1270) positioniert. Infolgedessen ist die Vorderkante 1226 des Flügels 1220 nicht freitragend. Eine nicht freitragende Konfiguration, wie diejenige, die in 12C gezeigt ist, bietet bestimmte Vorteile gegenüber freitragenden Auslegungen. Zum Beispiel kann ein nicht freitragender Flügel eine ausreichende Bausteifigkeit ohne die Notwendigkeit einer zusätzlichen Verstärkung aufweisen. Infolgedessen kann ein nicht freitragender Flügel leichter und kostengünstiger herzustellen sein als ein freitragender Flügel.
Die Fähigkeit, einen kleinen Abschrägungswinkel nahe der Spitze 1224 zu erreichen, ohne eine Auskragung zu schaffen, ist teilweise auf die Abschrägung der Vorderkante 1226 zwischen der Basis 1222 und der Zwischenstelle I nach hinten zurückzuführen.
Bei manchen Ausführungsformen können die Flügel 1220 derart geformt sein, dass Flüssigkeit, die das Laufrad 1200 in Längsrichtung 1250 passiert, mindestens einen Flügel 1220 berührt, wie vorstehend mit Bezug auf die 9A-F besprochen wurde. Bei manchen Ausführungsformen kann die Hinterkante 1228 so geformt sein, dass sie der Form der Vorderkante 1226 ähnelt.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Laufrad 1200 dafür ausgelegt, sich so zu drehen, dass die wirksame Aufschlaggeschwindigkeit entlang der Vorderkante 1226 höchstens etwa 7 m/s beträgt. Daher ermöglicht es die abgeschrägte Vorderkante 1226 dem Laufrad 1200, sich mit einer höheren Geschwindigkeit zu drehen, während ein sicheres Passieren der Fische beibehalten bleibt. Eine höhere Drehgeschwindigkeit kann wiederum die energiespezifische Geschwindigkeit und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des Laufrads 1200 verbessern.
Die 13A-13G zeigen ein Laufrad 1300 gemäß einer Ausführungsform. Das Laufrad 1300 kann einige oder alle der Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen enthalten, die vorstehend mit Bezug auf das Laufrad 900 besprochen wurden.
Das Laufrad 1300 kann eine Nabe 1310 und mehrere Flügel 1320, die sich radial von der Nabe 1310 erstrecken, aufweisen. Jeder Flügel 1320 des Laufrads 1300 kann eine Basis 1322, die sich an der Nabe 1310 befindet, eine Spitze 1324 entgegengesetzt zur Basis 1322, die einen äußersten Umfang des Flügels 1320 in radialer Richtung 1360 definiert, eine Vorderkante 1326 an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Laufrads 1300, eine Hinterkante 1328 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Laufrads 1300, eine Druckfläche 1330 auf einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 1320 und eine Saugfläche 1332 auf einer stromabwärtigen Seite des Flügels 1320 aufweisen. Das Laufrad 1300 kann so ausgelegt sein, dass es sich in Umfangsrichtung 1370 um die Längsachse 1350 dreht. Wie zum Beispiel in 13C gezeigt ist, ist die Umfangsrichtung 1370 gegen den Uhrzeigersinn, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1300. Bei anderen Ausführungsformen kann die Umfangsrichtung 1370 jedoch im Uhrzeigersinn sein, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1300.
Der Flügel 1320 hat eine dicke, gekrümmte Vorderkante und eine signifikante Auskragung. Die signifikante Auskragung ermöglicht einen spitzen Abschrägungswinkel des Laufrads an der Spitze, was das Überleben von Fischen, die diesen Bereich passieren, verbessert. Dieses Laufrad erreicht eine durchgehend hohe Stabilität (Verhältnis der Sehnenlänge des Flügels zum Abstand der Flügel) von der Basis zur Spitze von etwa 1,5, was eine hohe Effizienz insbesondere bei einer Drehzahl zwischen 0,6-0,9 ermöglicht. Ein Laufrad dieser Auslegung kann eine Effizienz von mehr als 91-92 % erreichen. Dieses Laufrad hat einen großen Betrag an freitragender Masse, wie in 13C veranschaulicht ist; ein signifikanter Betrag der Vorderkante des Laufrads an der Spitze steht von der radialen Linie 1360 nach vorne vor. Bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Laufrads verursacht diese Masse selbstinduzierte Momemtbelastungen auf der Flügelstruktur, was eine zusätzliche Schwierigkeit bei der Auslegung und Herstellung schafft, was die Kosten für das Implementieren des Flügels erhöht und potentiell die Auslegung der erreichbaren Fallhöhe für diese Art von Laufrad begrenzt.
In einigen Ausführungsformen kann das Laufrad 1300 in einem Bereich von Drehzahlen σ von etwa 0,5 bis etwa 2 arbeiten, wie etwa 0,8, was einem Fallhöhenbereich von etwa 2,5 Metern bis etwa 20 Metern entspricht. Falls zum Beispiel das Laufrad 200 einen Durchmesser D_t von 2 Metern hat und unter einer Nettofallhöhe von 7 Metern arbeitet, kann es sich mit etwa 160 U/min drehen.
Die Nabe 1310 hat eine zylindrische Konfiguration, die sich an einem Ende nach innen verjüngt. Wie zum Beispiel in 13B gezeigt ist, beginnt die Nabe 1310 sich innerhalb der Spannweite der Flügel 1320 zu verjüngen (d. h. die Nabe 1310 verjüngt sich, wo die Flügel 1320 auf die Nabe 1310 treffen). Bei anderen Ausführungsformen beginnt die Nabe 1310 sich jedoch stromabwärts der Flügel 1320 zu verjüngen.
Das Laufrad 1300 enthält drei Flügel 1320. In anderen Ausführungsformen kann das Laufrad 1300 jedoch zwei Flügel 1320 oder mehr als drei Flügel 1320 aufweisen. Wie vorstehend besprochen wurde, kann das Bereitstellen von relativ wenigen Flügeln zu einer verringerten Fischsterblichkeit und einer verringerten Rotorstabilität (Verhältnis der Gesamtfläche der Rotorflügel zu dem überstrichenen Bereich des Rotors) und somit zu einem Blockieren des Stroms durch das Laufrad 1300 führen. Die Flügel 1320 können um einen Umfang der Nabe 1310 gleichmäßig beabstandet sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügel 1320 schraubenförmig auf der Nabe 1310 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen haben die mehreren Flügel 1320 des Laufrads 1300 alle die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
Der Flügel 1230 kann eine Vorderkantendicke TLE und eine Länge LLE aufweisen. Das Verhältnis der Vorderkantendicke TLE zum Laufraddurchmesser D_R (d. h. T_LE/D_R) des Laufrads 1300 ist relativ zu einer herkömmlichen Auslegung eines Niederdrucklaufrads groß. Das Verhältnis T_LE/D_t kann etwa 0,06 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14. Wie besprochen, führt dieses T_LE/D_R- Verhältnis zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad. Wie zum Beispiel in den 13D-F gezeigt ist, kann ein Querschnitt des Flügels 1320 des Laufrads 1300 an der Nabe 1310 (13F), an der Meridianlinie 1323 (13E) oder an der Spitze 1324 (13D) genommen werden. Jeder Querschnitt kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1320 kann eine maximale Dicke tmax aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1320 kann eine Mittellinie C aufweisen. Der Flügel 1320 kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1310 (L_C,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1300 (D_t) (d. h. L_C,h/D_t) etwa 0,55 bis etwa 0,75 betragen, wie etwa 0,6 bis etwa 0,64. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1324 (Lc,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1300 (D_t) (d. h. Lc,t/Dt) etwa 1,0 bis etwa 1,7 betragen, wie etwa 1,4 bis etwa 1,6.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1310 (L_C,h) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,h/L_LE) etwa 1,5 bis etwa 1,8 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1324 (Lc,t) zur Vorderkantenlänge LLE (d. h. L_C,t/L_LE) etwa 2,5 bis etwa 3,75 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1310 (L_C,h) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,h/CS) etwa 1,35 bis etwa 1,55 betragen, wie etwa 1,48 bis etwa 1,53. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1324 (Lc,t) zu einem Umfangsabstand (CS) (d. h. Lc,t/CS) etwa 0,9 bis etwa 1,6, wie etwa 1,35 bis etwa 1,5 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1310 (t_max,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1300 (D_t) (d. h. t_max,h/D_t) etwa 0,25 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1324 (t_max,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1300 (D_t) (d. h. t_max,t/D_t) etwa 0,1 bis etwa 0,25 betragen, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17. Ein Laufrad 1300 mit Verhältnissen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche führt zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad.
Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1310 (t_max,h) zur Sehnenlänge (Lc,h) etwa 0,25 bis etwa 0,35, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1324 (t_max,t) zur Sehnenlänge (Lc,t) etwa 0,1 bis etwa 0,25, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1320 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands b_h der Mittellinie C_h zur Sehnenlinie L_C,h an der Nabe 1310 von etwa 0,05 bis etwa 0,15, wie etwa 0,097 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1320 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands bt der Mittellinie Ct zur Sehnenlinie Lc,t an der Spitze 1324 von etwa 0 bis etwa 0,005 aufweisen.
Der Flügel 1320 kann eine bogenförmige Vorderkante 1326 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 1326 eine halbkreisförmige Form, eine Parabolform, eine konische Form oder eine andere Form aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 1326 gerade sein.
Wie zum Beispiel in 13C gezeigt ist, ist die Vorderkante 1326 des Flügels 1320 zwischen der Basis 1322 und der Zwischenstelle I nach hinten abgeschrägt und zwischen der Zwischenstelle I und der Spitze 1324 nach vorne abgeschrägt. Der Abschrägungswinkel nimmt von der Basis 1322 zur Zwischenstelle I, wo der Abschrägungswinkel etwa 90° beträgt, kontinuierlich ab. Der Abschrägungswinkel nimmt von der Zwischenstelle I zur Spitze 1324 kontinuierlich ab. Der Abschrägungswinkel an der Spitze 1324 θ_t beträgt etwa 35°. Die Zwischenstelle I befindet sich weniger als die halbe Strecke zwischen der Basis 1322 und der Spitze 1324 (in radialer Richtung 1360), so dass der größte Teil der Vorderkante 1326 nach vorne abgeschrägt ist. Bei manchen Ausführungsformen befindet sich die Zwischenstelle I weniger als 1/4 der Strecke zwischen der Basis 1322 und der Spitze 1324 (in radialer Richtung 1360). Bei manchen Ausführungsformen befindet sich die Zwischenstelle I auf weniger als einem Achtel der Strecke zwischen der Basis 1322 und der Spitze 1324 (in radialer Richtung 1360).
Wie besprochen wurde, ist die Fischsterblichkeit eine Funktion der normalen Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit, und die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit wird bei anderen Abschrägungswinkeln θ als 90°-Winkeln verringert. Die Vorderkante 1326 des Flügels 1320 hat, außer an der Zwischenstelle I, einen anderen Abschrägungswinkel als einen 90°-Winkel. Somit ist die Fischsterblichkeit in diesen Bereichen verringert (relativ zu einem geraden Flügel).
Wie erwähnt wurde, nimmt der Abschrägungswinkel der Vorderkante 1326 des Flügels 1320 von der Zwischenstelle I, an der der Abschrägungswinkel ungefähr 90° beträgt, zur Spitze 1324 kontinuierlich ab. Infolgedessen verringert sich die normale Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit w_N von der Zwischenstelle I zur Spitze 1324 in einem größeren Ausmaß, was bedeutet, dass die Sterblichkeit von der Zwischenstelle I zur Spitze 1324 in einem größeren Ausmaß abnimmt. Die Tangentialgeschwindigkeit des Flügels nimmt im Allgemeinen von der Basis 1322 zur Spitze 1324 zu. Somit verringert die kontinuierliche Abnahme des Abschrägungswinkels von der Zwischenstelle I zur Spitze 1324 die Sterblichkeit in einem größeren Ausmaß, wenn die Tangentialgeschwindigkeit relativ hoch ist.
Wie zum Beispiel in 13C gezeigt ist, ist die Vorderkante 1326 an der Spitze 1324 jenseits der Vorderkante 1326 an der Basis 1322 (in Umfangsrichtung 1370) positioniert. Infolgedessen ist die Vorderkante 1326 des Flügels 1320 freitragend. Wenn sich die Spitze 1324 an der Vorderkante 1326 weiter über die Vorderkante 1326 an der Basis 1322 hinaus erstreckt (in Umfangsrichtung 1370), können kleinere Abschrägungswinkel nahe der Spitze 1324 erreicht werden. Wie besprochen, kann dies zu einer verringerten normalen Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit w_N führen, wodurch sich die Sterblichkeit verringert. Wenn sich jedoch die Spitze 1324 an der Vorderkante 1326 weiter über die Vorderkante 1326 an der Basis 1322 hinaus erstreckt (in Umfangsrichtung 1370), wird eine ausgeprägtere Auskragung geschaffen. Dies kann zum Beispiel zu erhöhten Herstellungskosten führen, um eine minimale Bausteifigkeit an der Spitze 1324 zu erzeugen. Die Bausteifigkeit kann zum Beispiel erforderlich sein, um die Spitze 1324 in den engen Toleranzen eines Turbinengehäuses zu halten.
Bei manchen Ausführungsformen können die Flügel 1320 derart geformt sein, dass Flüssigkeit, die das Laufrad 1300 in Längsrichtung 1350 passiert, mindestens einen Flügel 1320 berührt, wie vorstehend mit Bezug auf die 9A-F besprochen wurde. Bei manchen Ausführungsformen kann die Hinterkante 1328 so geformt sein, dass sie der Form der Vorderkante 1326 angenähert ist.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Laufrad 1300 dafür ausgelegt, sich so zu drehen, dass die wirksame Aufschlaggeschwindigkeit entlang der Vorderkante 1326 höchstens etwa 7 m/s beträgt. Daher ermöglicht es die abgeschrägte Vorderkante 1326 dem Laufrad 1300, sich mit einer höheren Geschwindigkeit zu drehen, während ein sicheres Passieren der Fische beibehalten bleibt. Eine höhere Drehgeschwindigkeit kann wiederum die energiespezifische Geschwindigkeit und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des Laufrads 1300 verbessern.
Die 14A-14G zeigen ein Laufrad 1400 gemäß einer Ausführungsform. Das Laufrad 1400 kann einige oder alle der Merkmale, Strukturen oder Kennzeichen enthalten, die vorstehend mit Bezug auf das Laufrad 900 besprochen wurden.
Das Laufrad 1400 kann eine Nabe 1410 und mehrere Flügel 1420, die sich radial von der Nabe 1410 erstrecken, aufweisen. Jeder Flügel 1420 des Laufrads 1400 kann eine Basis 1422, die sich an der Nabe 1410 befindet, eine Spitze 1424 entgegengesetzt zur Basis 1422, die einen äußersten Umfang des Flügels 1420 in radialer Richtung 1460 definiert, eine Vorderkante 1426 an einem stromaufwärtigen Abschnitt des Laufrads 1400, eine Hinterkante 1428 an einem stromabwärtigen Abschnitt des Laufrads 1400, eine Druckfläche 1430 auf einer stromaufwärtigen Seite des Flügels 1420 und eine Saugfläche 1432 auf einer stromabwärtigen Seite des Flügels 1420 aufweisen. Das Laufrad 1400 kann dafür ausgelegt sein, sich in Umfangsrichtung 1470 um eine Längsachse 1450 zu drehen. Wie zum Beispiel in 14C gezeigt ist, ist die Umfangsrichtung 1470 gegen den Uhrzeigersinn, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1400. Bei anderen Ausführungsformen kann die Umfangsrichtung 1470 jedoch im Uhrzeigersinn sein, gesehen von einer stromaufwärtigen Seite des Laufrads 1400.
Der Flügel 1420 hat eine dicke, gekrümmte Vorderkante und einen kleineren freitragenden Spitzenbereich. Das Profil der Vorderkante, stromaufwärts gesehen ( 14C), ist so gestaltet, dass dieses Laufrad sowohl einen steilen Abschrägungswinkel am Schnittpunkt der Laufradspitze mit dem Gehäuse erreicht (für eine verbesserte Sicherheit der Fische), als auch die Menge der freitragenden Masse begrenzt, um selbstinduzierte zentripetale Momente zu minimieren und somit Verringerungen der Herstellungskosten zu erreichen, um bestimmte Kriterien der radialen Biegung zu erfüllen. Durch diese Art von Auslegung kann das steil abgeschrägte Laufrad mit höheren Betriebsgeschwindigkeiten arbeiten als ein Laufrad mit einem signifikanteren freitragenden Spitzenbereich. Die anderen Vorteile der gekrümmten Vorderkante werden behalten, wie für die Laufräder in 12 und 13 beschrieben wurde. Dieses Laufrad kann auch eine Vorderkante mit einer unterschiedlichen Dicke von der Nabe zur Spitze nutzen. Durch Erhöhen der Querschnittsdicke der Laufradspitze kann eine funktionell äquivalente Stabilität für ein Laufrad wie in 13 erreicht werden, obwohl der Spitzenquerschnitt eine technische Stabilität von nur 1,1-1,3 aufweist.
In einigen Ausführungsformen kann das Laufrad 1400 in einem Bereich von Drehzahlen σ von etwa 0,5 bis etwa 2 arbeiten, wie etwa 0,8, was einem Fallhöhenbereich von etwa 2,5 Metern bis etwa 20 Metern entspricht. Falls zum Beispiel das Laufrad 200 einen Durchmesser D_t von 2 Metern hat und unter einer Nettofallhöhe von 7 Metern arbeitet, kann es sich mit etwa 160 U/min drehen.
Die Nabe 1410 hat eine zylindrische Konfiguration, die sich an einem Ende nach innen verjüngt. Wie zum Beispiel in 14B gezeigt ist, beginnt die Nabe 1410 sich innerhalb der Spannweite der Flügel 1420 zu verjüngen (d. h. die Nabe 1410 verjüngt sich, wo die Flügel 1420 auf die Nabe 1410 treffen). Bei anderen Ausführungsformen beginnt sich die Nabe 1410 jedoch stromabwärts der Flügel 1420 zu verjüngen.
Das Laufrad 1400 enthält drei Flügel 1420. In anderen Ausführungsformen kann das Laufrad 1400 jedoch zwei Flügel 1420 oder mehr als drei Flügel 1420 aufweisen. Wie vorstehend besprochen wurde, kann das Bereitstellen von relativ wenigen Flügeln zu einer verringerten Fischsterblichkeit und einer verringerten Rotorstabilität (Verhältnis der Gesamtfläche der Rotorflügel zu dem überstrichenen Bereich des Rotors) und somit zu einem Blockieren des Stroms durch das Laufrad 1400 führen. Die Flügel 1420 können um einen Umfang der Nabe 1410 gleichmäßig beabstandet sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügel 1420 schraubenförmig auf der Nabe 1410 angeordnet. Bei manchen Ausführungsformen haben die mehreren Flügel 1420 des Laufrads 1400 alle die gleiche Form und die gleichen Abmessungen.
Der Flügel 1420 kann eine Vorderkantendicke TLE und eine Länge LLE aufweisen. Das Verhältnis der Vorderkantendicke TLE zum Laufraddurchmesser D_R (d. h. T_LE/D_R) des Laufrads 1400 ist relativ zu einer herkömmlichen Auslegung eines Niederdrucklaufrads groß. Das Verhältnis T_LE/D_t kann etwa 0,06 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,08 bis etwa 0,25, wie etwa 0,1 bis etwa 0,14. Wie besprochen, führt dieses T_LE/D_R- Verhältnis zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad. Wie zum Beispiel in den 14D-F gezeigt ist, kann ein Querschnitt des Flügels 1420 des Laufrads 1400 an der Nabe 1410 (14F), an der Meridianlinie 1423 (14E) oder an der Spitze 1424 (14D) genommen werden. Jeder Querschnitt kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1420 kann eine maximale Dicke tmax aufweisen. Jeder Querschnitt des Flügels 1420 kann eine Mittellinie C aufweisen. Der Flügel 1420 kann eine Sehnenlänge Lc aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1410 (L_C,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1400 (D_t) (d. h. L_C,h/D_t) etwa 0,55 bis etwa 0,75 betragen, wie etwa 0,6 bis etwa 0,64. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1424 (Lc,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1400 (D_t) (d. h. Lc,t/Dt) etwa 1,0 bis etwa 1,7 betragen, wie etwa 1,4 bis etwa 1,6.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1410 (L_C,h) zur Vorderkantenlänge (L_LE) (d. h. L_C,h/L_LE) etwa 1,5 bis etwa 1,8 betragen. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1424 (Lc,t) zur Vorderkantenlänge L_LE(d. h. L_C,t/L_LE) etwa 2,5 bis etwa 3,75 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Nabe 1410 (L_C,h) zum Umfangsabstand (CS) (d. h. L_C,h/CS) etwa 1,35 bis etwa 1,55 betragen, wie etwa 1,48 bis etwa 1,53. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der Sehnenlänge an der Spitze 1424 (Lc,t) zu einem Umfangsabstand (CS) (d. h. Lc,t/CS) etwa 0,9 bis etwa 1,6, wie etwa 1,35 bis etwa 1,5 betragen.
Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1410 (t_max,h) zu einem Durchmesser des Laufrads 1400 (D_t) (d. h. t_max,h/D_t) etwa 0,25 bis etwa 0,35 betragen, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen kann ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1424 (t_max,t) zu einem Durchmesser des Laufrads 1400 (D_t) (d. h. t_max,t/D_t) etwa 0,1 bis etwa 0,25 betragen, wie etwa 0,15 bis etwa, 0,17. Ein Laufrad 1400 mit Verhältnissen innerhalb der vorstehend angegebenen Bereiche führt zu einer verringerten Fischsterblichkeit relativ zu einem herkömmlichen Laufrad.
Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Nabe 1410 (t_max,h) zur Sehnenlänge (Lc,h) etwa 0,25 bis etwa 0,35, wie etwa 0,3 bis etwa 0,33. Bei manchen Ausführungsformen beträgt ein Verhältnis der maximalen Dicke an der Spitze 1424 (t_max,t) zur Sehnenlänge (Lc,t) etwa 0,1 bis etwa 0,25, wie etwa 0,15 bis etwa 0,17.
Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1420 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands b_h der Mittellinie C_h zur Sehnenlinie L_C,h an der Nabe 1410 von etwa 0,05 bis etwa 0,15, wie etwa 0,097 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann der Flügel 1420 ein Wölbungsverhältnis des maximalen Abstands bt der Mittellinie Ct zur Sehnenlinie Lc,t an der Spitze 1424 von etwa 0 bis etwa 0,005 aufweisen.
Der Flügel 1420 kann eine bogenförmige Vorderkante 1426 aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 1426 eine halbkreisförmige Form, eine Parabolform, eine konische Form oder eine andere Form aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen kann die Vorderkante 1426 gerade sein.
Wie zum Beispiel in 14C gezeigt ist, ist die Vorderkante 1426 des Flügels 1420 zwischen der Basis 1422 und der Zwischenstelle I nach hinten abgeschrägt und zwischen der Zwischenstelle I und der Spitze 1424 nach vorne abgeschrägt. Der Abschrägungswinkel nimmt von der Basis 1422 zur Zwischenstelle I, wo der Abschrägungswinkel etwa 90° beträgt, kontinuierlich ab. Der Abschrägungswinkel nimmt von der Zwischenstelle I zur Spitze 1424 kontinuierlich ab. Der Abschrägungswinkel an der Spitze 1424 θ_t beträgt etwa 30°. Die Zwischenstelle I befindet sich ungefähr auf halber Strecke zwischen der Basis 1422 und der Spitze 1424 (in radialer Richtung 1460), so dass die Vorderkante 1246 über ungefähr die gleiche radiale Distanz nach hinten abgeschrägt ist, wie sie nach vorne abgeschrägt ist.
Wie besprochen wurde, ist die Fischsterblichkeit eine Funktion der normalen Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit, und die normale Komponente w_N der Aufschlaggeschwindigkeit wird bei anderen Abschrägungswinkeln θ als 90°-Winkeln verringert. Die Vorderkante 1426 des Flügels 1420 hat, außer an der Zwischenstelle I, einen anderen Abschrägungswinkel als 90°. Somit verringert sich die Fischsterblichkeit in diesen Bereichen (relativ zu einem geraden Flügel).
Wie erwähnt wurde, nimmt der Abschrägungswinkel der Vorderkante 1426 des Flügels 1420 von der Zwischenstelle I, an der der Abschrägungswinkel ungefähr 90° beträgt, zur Spitze 1424 kontinuierlich ab. Infolgedessen verringert sich die normale Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit w_N von der Zwischenstelle I zur Spitze 1424 in einem größeren Ausmaß, was bedeutet, dass die Sterblichkeit von der Zwischenstelle I zur Spitze 1424 in einem größeren Ausmaß abnimmt. Die Tangentialgeschwindigkeit des Flügels nimmt im Allgemeinen von der Basis 1422 zur Spitze 1424 zu. Somit verringert die kontinuierliche Abnahme des Abschrägungswinkels von der Zwischenstelle I zur Spitze 1424 die Sterblichkeit in einem größeren Ausmaß, wenn die Tangentialgeschwindigkeit relativ hoch ist.
Wie zum Beispiel in 14C gezeigt ist, ist die Vorderkante 1426 an der Spitze 1424 jenseits der Vorderkante 1426 an der Basis 1422 (in Umfangsrichtung 1470) positioniert. Infolgedessen ist die Vorderkante 1426 des Flügels 1420 freitragend. Wenn sich die Spitze 1424 an der Vorderkante 1426 weiter über die Vorderkante 1426 an der Basis 1422 hinaus erstreckt (in Umfangsrichtung 1470), können kleinere Abschrägungswinkel nahe der Spitze 1424 erreicht werden. Wie besprochen, kann dies zu einer verringerten normalen Komponente der Aufschlaggeschwindigkeit w_N führen, wodurch sich die Sterblichkeit verringert. Wenn sich die Spitze 1424 jedoch an der Vorderkante 1426 weiter über die Vorderkante 1426 an der Basis 1422 hinaus erstreckt (in Umfangsrichtung 1470), wird eine ausgeprägtere Auskragung geschaffen. Dies kann zum Beispiel zu erhöhten Herstellungskosten führen, um eine minimale Bausteifigkeit an der Spitze 1424 zu erzeugen. Die zum Beispiel in 14C gezeigte Auskragung ist jedoch nicht ausreichend übermäßig, um einen signifikanten Anstieg der Herstellungskosten zu verursachen.
Bei manchen Ausführungsformen können die Flügel 1420 derart geformt sein, dass Flüssigkeit, die das Laufrad 1400 in Längsrichtung 1450 passiert, mindestens einen Flügel 1420 berührt, wie vorstehend mit Bezug auf die 9A-F besprochen wurde. Bei manchen Ausführungsformen kann die Hinterkante 1428 so geformt sein, dass sie der Form der Vorderkante 1426 angenähert ist.
Bei manchen Ausführungsformen ist das Laufrad 1400 dafür ausgelegt, sich so zu drehen, dass die wirksame Aufschlaggeschwindigkeit entlang der Vorderkante 1426 höchstens etwa 7 m/s beträgt. Daher ermöglicht es die abgeschrägte Vorderkante 1426 dem Laufrad 1400, sich mit einer höheren Geschwindigkeit zu drehen, während ein sicheres Passieren der Fische beibehalten bleibt. Eine höhere Drehgeschwindigkeit kann wiederum die energiespezifische Geschwindigkeit und wirtschaftliche Wettbewerbsfähigkeit des Laufrads 1400 verbessern.
Bei manchen Ausführungsformen kann das Laufrad 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 eine kompakte Größe aufweisen. Dies kann zum Beispiel einen leichten Transport des Laufrads 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 ermöglichen. Zum Beispiel kann ein Durchmesser D_t des Laufrads 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 mindestens etwa 0,5 Meter betragen. Gemäß einem Aspekt kann ein Durchmesser D_t des Laufrads 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 von etwa 0,5 Meter bis etwa 5 Meter, wie zum Beispiel etwa 1 Meter bis etwa 3 Meter, reichen. Eine Länge L_r des Laufrads 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 in Längsrichtung 1050, 1150, 1250, 1350 oder 1450 kann zum Beispiel etwa 1,7 Meter bis etwa 2,1 Meter betragen.
Das Laufrad 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 und/oder die Flügel 1020, 1120, 1220, 1320 oder 1420 können aus jedem geeigneten Material gefertigt sein und durch einen geeigneten Prozess ausgebildet werden. Bei manchen Ausführungsformen sind das Laufrad 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 und/oder die Flügel 1020, 1120, 1220, 1320 oder 1420 aus geformtem Kohlenstoff/Glasfaser und Harz gefertigt. Bei solchen Ausführungsformen können die Flügel 1020, 1120, 1220, 1320 oder 1420 einen Kern aus einem leichtgewichtigen Schaumstoff aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen besteht das Laufrad 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 aus Metall, wie zum Beispiel Bronze, rostfreiem Stahl oder dergleichen, und kann durch Gussteile gefertigt sein, die auf die endgültige Form bearbeitet werden. Bei manchen Ausführungsformen besteht das Laufrad 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 aus Verbundwerkstoffen und wird durch herkömmliche Verfahren der Verbundstoffkonstruktion hergestellt. Zum Beispiel kann das Laufrad 1000, 1100, 1200, 1300 oder 1400 eine Sandwichkonstruktion aufweisen oder eine Scherbahn innerhalb einer Struktur aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen besteht das Laufrad 200 aus einem Elastomer oder Polymer, wobei Verstärkungen entweder lokal oder im gesamten Inneren verteilt vorhanden sind.
Die Flügel 1020, 1120, 1220, 1320 oder 1420 können eine Hybridkonstruktion aufweisen. Bei manchen Ausführungsformen ist die Vorderkante 1026, 1126, 1226, 1326 oder 1426 der Flügel 1020, 1120, 1220, 1320 oder 1420 bewehrt. Die Vorderkante 1026, 1126, 1226, 1326 oder 1426 kann eine aufgebrachte Beschichtung aufweisen. Die Vorderkante kann metallisch sein. Bei manchen Ausführungsformen sind die Flügelspitzen 1024, 1124, 1224, 1324 oder 1424 mit einer dicken Schicht von Ablationsmaterial geformt, so dass die Flügelspitzen 1024, 1124, 1224, 1324 oder 1424 in den Innendurchmesser eines Gehäuses einer Turbine abgenutzt werden können (z. B. in den 15A-C gezeigt).
Die 15A-15C veranschaulichen ein für Fische sicheres Laufrad 1510, das in eine Schachtturbine 1500 integriert ist, deren Einlass 1512 mit dem Auslass eines Druckrohrs oder einer Turbinenleitung verbunden werden soll. Das Wasser fließt axial um einen Schacht 1520, der eine Kraftübertragungsausrüstung 1560 enthält, wird diagonal durch eine Stufe von Leitschaufeln 1532 (die in dem Schacht fixiert oder verstellbar sein können, je nachdem, wie es die Anwendung verlangt), axial durch das Laufrad 1510, durch ein Saugrohr 1540 oder einen Diffusor und aus der Turbine 1500 heraus gelenkt. Der Auslass 1518 des Saugrohrs 1540 gibt entweder direkt in ein Unterwasser ab oder ist mit einem Rohr verbunden, das wiederum das abgegebene Wasser an einen Unterwasserkörper weiterleiten kann, oder wo auch immer das Rohr hinführt. Diese Art von Turbine kann in jedem beliebigen Winkel relativ zum Boden installiert werden, wie zum Beispiel horizontal oder geneigt oder vertikal. Der Generator 1552 oder die Energieabnahmeausrüstung, wie ein Getriebe oder eine Kupplung 1554, sind in einem Schacht 1520 enthalten, der der Luft gegenüber offen ist und gegebenenfalls zum Schutz bedeckt werden kann. Ein Vorteil dieser Art von Turbine ist ein leichter Zugang zu den Energieübertragungskomponenten, wie Wellendichtungen, Lager und der Energieabnahmeausrüstung. Diese Art von Turbine ist über einen weiten Bereich von Fallhöhen anwendbar, von nur wenigen Metern Fallhöhe bis zu 10 Metern oder sogar 20 Metern.
Die 16A-16C veranschaulichen ein für Fische sicheres Laufrad 1610, das in eine Schachtturbine 1600 integriert ist, deren Einlass 1612 direkt mit einer offenen Schlucht oder einem Kanal oder ansonsten dem Oberwasser über einem Abfallen der Höhe zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser kommunizieren soll. Das Wasser fließt axial um einen Schacht 1620, der eine Energieübertragungsausrüstung 1660 enthält, wird diagonal durch eine Stufe von Leitschaufeln 1632 (die in dem Schacht fixiert oder verstellbar sein können, je nachdem, wie es die Anwendung verlangt), axial durch das Laufrad 1610, durch ein Saugrohr 1640 oder einen Diffusor und aus der Turbine 1600 heraus gelenkt. Der Generator 1652 oder die Energieabnahmeausrüstung, wie ein Getriebe oder eine Kupplung 1654, ist in einem Schacht 1620 enthalten. Die Vorteile dieser Turbinenart sind die Einfachheit des Zugangs zu den Energieübertragungskomponenten, wie für 15 beschrieben wurde. Diese Art von Turbine ist in erster Linie bei einer sehr geringen Fallhöhe von weniger als etwa 5 Metern oder 7 Metern einsetzbar.
Die 17A-17C veranschaulichen ein für Fische sicheres Laufrad 1710, das in eine Rohrturbine 1700 integriert ist, deren Einlass direkt mit einer offenen Schlucht oder einem Kanal oder ansonsten dem Oberwasser über einem Abfallen der Höhe zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser kommunizieren soll. Das Wasser fließt auf eine Weise ähnlich wie in 15 durch diese Turbine. Das Wasser fließt axial um eine Birne (Bulb oder Rohr) 1780, die eine Energieübertragungsausrüstung 1760 enthält, wird diagonal durch eine Stufe von Leitschaufeln 1632 (die in dem Schacht fixiert oder verstellbar sein können, je nachdem, wie es die Anwendung verlangt), axial durch das Laufrad 1710, durch ein Saugrohr 1740 oder einen Diffusor und aus der Turbine 1700 heraus gelenkt. Ein Generator 1752 ist in der Birne 1780, die wasserdicht ist, vollständig eingeschlossen. Strom- und Steuerkabel und jede erforderliche zusätzliche Führung, wie zum Beispiel Schmieröle oder Gase, werden von einer entfernten Stelle an Land zur Turbine verlegt. Der Vorteil dieser Art von Turbine ist ihre Möglichkeit, vollständig untergetaucht zu arbeiten. Dies ist bei Anwendungen nützlich, wie zum Beispiel an großen Flüssen, wo hohe saisonbedingte Strömungsraten häufig zu einer lokalen Überflutung führen können. Diese Art von Birnenkonfiguration kann auch innerhalb einer Rohrleitung implementiert sein, wie in 15.
Die 18A-18C veranschaulichen ein für Fische sicheres Laufrad 1810, das in einer Rohrturbine 1800 integriert ist, deren Einlass direkt mit einer offenen Schlucht oder einem Kanal oder ansonsten dem Oberwasser über einem Abfallen der Höhe zwischen dem Oberwasser und dem Unterwasser kommunizieren soll. Das Wasser strömt radial in die Turbine 1800, passiert eine Stufe von Leitschaufeln 1832, die die Strömung in einen Wirbel versetzen, bevor sie axial das Laufrad 1810 passiert, und tritt axial durch ein Saugrohr 1840 oder einen Diffusor aus. Ein Vorteil dieser Art von Turbine besteht darin, dass sie zu minimalen Investitionskosten installiert werden kann, und wenn sie mit einer vertikalen Turbinenachse betrieben wird, profitiert diese Turbine von sehr geringen schwankenden, selbstinduzierten Belastungen (z. B. aus der rotierenden Flügelmasse), wodurch eine lange Lebensdauer gefördert wird. Es ist möglich, diese Art von Turbine in jeder Ausrichtung zu installieren, einschließlich vertikal oder horizontal. Die Turbine 1800 kann einen Generator 1852 enthalten, der in einer Trockenbirne eingeschlossen sein kann, wie in 17.
Die 19A-19C veranschaulichen ein für Fische sicheres Laufrad 1910, das in eine rohrförmige Turbine 1900 integriert ist, deren Einlass mit einem Druckrohr oder einer Turbinenleitung verbunden werden soll. Eine Kaskade von ortsfesten Umlenkschaufeln 1935 ist in dem Bogen des Einlassrohrs positioniert, sofern der Bogen nahe 90° beträgt. Diese Art von Turbine kann mit Einlassbögen von kleinerem Winkel gebaut werden, wie zum Beispiel 45°, und in einem solchen Fall können die Umlenkschaufeln möglicherweise entfallen. Wasser fließt von der Turbinenleitung durch den Bogen in Leitschaufeln 1930, die mit einer vorherrschend axialen Strömung ausgerichtet sein können, oder mit einer Strömung, die eine gewisse Komponente einer diagonalen Richtung ähnlich den Schacht- oder Birneneinlässen hat, was die Strömung in einen geeigneten Wirbel versetzt. Das Wasser fließt dann durch das Laufrad 1910 und tritt axial in einen Diffusor oder ein Saugrohr 1940 und von dort in einen Auslass zum Unterwasser oder ein Auslassrohr aus. Diese Art von Turbine kann in einem Bereich von Winkeln von vertikal zu nicht vertikal installiert werden. Die Turbine ist für Orte mit einer Fallhöhe von mehr als mehreren Metern, bis zu 20 Metern, gut geeignet und ermöglicht Verringerungen der Länge, Breite und Tiefe von Bauarbeiten für die Wasserkraftanlage. Die Turbine 1900 kann einen Generator 1952 einschließen.
Andere Turbinen können auf ähnliche Weise gebaut werden. Zum Beispiel kann ein unter Druck gesetztes Spiralgehäuse oder Laufgehäuse der Turbine aus 18 Wasser zuführen, was ihre Anwendung eher in einem trockenen Kraftwerk als in einem offenen Schluchtoberwasser ermöglicht.
Wie zum Beispiel in den 20A-B gezeigt ist, kann das Laufrad in eine Turbine integriert sein, und die Turbine kann Teil der Wasserkraftinstallation 2000 sein. Jede Turbine der Wasserkraftinstallation 2000 kann eine Axialturbine sein, die eine Längsachse Z aufweist, die in einer vertikalen Ausrichtung angeordnet ist, so dass der Strom von Flüssigkeit durch die Turbine vertikal nach unten in eine Richtung der Längsachse Z jeder Turbine vorangeht. Bei manchen Ausführungsformen kann die Turbine einen radialen Zulauf wie gezeigt einschließen, und in manchen Ausführungsformen kann die Turbine einen axialen Zulauf einschließen. Jede Turbine kann dafür ausgelegt sein, im vollständig untergetauchten Zustand zu arbeiten. Ferner kann jede Turbine modular sein, so dass zusätzliche Turbinen bei der Wasserkraftinstallation 2000 je nach Bedarf hinzugefügt, entfernt oder ersetzt werden können.
Die Wasserkraftinstallation 2000 kann besonders zur Verwendung in Strömen und Flüssen geeignet sein, die im Allgemeinen eine hohe Abfallbelastung haben und Trümmer enthalten, wie Zweige, Blätter, Vegetation und Abfall und dergleichen. Die Wasserkraftinstallation 2000 ist zur Verwendung in Niederdruckanwendungen ausgelegt, verhindert den Zustrom von Steinen und Trümmern in die Turbinen und ist so konfiguriert, dass ihr Abfallschirm weitgehend selbstreinigend ist.
Die Wasserkraftinstallation 2000 kann mehrere Turbinenkammern 2010 aufweisen, wie in den 20A-B gezeigt ist. Die Turbinenkammern 2010 können nebeneinander in einer Richtung quer zu einer Strömung vom Oberwasser zum Unterwasser angeordnet sein. Jede Turbinenkammer 2010 kann durch ein Paar von beabstandeten parallelen Seitenwänden und einen Boden definiert sein. Die Turbinenkammer 2010 kann ferner eine stromabwärtige Wand aufweisen, um die Fallhöhe beizubehalten. Die Turbinenkammer 2010 kann aus vorgefertigten Betonplatten ausgebildet sein, um die Installation der Wasserkraftinstallation 2000 zu vereinfachen. Die Turbinen können innerhalb der Turbinenkammer 2010 angeordnet sein und jede Turbine kann in einer vertikalen Ausrichtung angeordnet sein.
Jede Turbine kann in einen Boden der Turbinenkammer 2010 eingepasst sein. Jede Turbine kann einen Verschlusskeil aufweisen, um eine Drehung der Turbine, wenn diese in den Boden eingepasst ist, zu verhindern. Jede Turbine kann durch die Schwerkraft und den Strom von Flüssigkeit gestützt werden. Somit ist zum Installieren jeder Turbine kein Träger und kein Rahmen erforderlich. Infolgedessen kann jede Turbine einfach durch Platzieren der Turbine auf dem Boden zum Einpassen der Turbine in den Boden der Turbinenkammer 2010 leicht installiert werden, und auf ähnliche Weise kann jede Turbine ohne Abbau eines Rahmens oder anderer Trägerstrukturen leicht entfernt werden.
Eine oder mehrere Turbinen können in jeder Turbinenkammer 2010 angeordnet sein. In 20A sind zum Beispiel drei Turbinen in jeder Turbinenkammer 2010 angeordnet, und eine erste Turbine kann stromaufwärts einer zweiten Turbine angeordnet sein. Bei alternativen Ausführungsformen kann jedoch jede Turbinenkammer 2010 zusätzliche Turbinen aufweisen. Da jede der Turbinenkammern 2010 mehrere Turbinen enthalten kann, kann die Wasserkraftinstallation 2000 eine gitterartige Anordnung von Turbinen aufweisen.
Ein Einlass jeder Turbine kann über dem Boden der Turbinenkammer 2010 angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Turbine so angeordnet sein, dass sie verhindert, dass Steine und andere große Trümmer in die Turbine gelangen, oder dass dies behindert wird.
Die Turbinenkammern können durch einen Abfallrechen 2020 mit einer horizontalen oder sehr spitzen Ausrichtung in Bezug auf die horizontale Ebene geschützt werden. Die Turbinenkammer kann mit einer Menge an Wasser überströmt werden, wobei diese mittels der Geschwindigkeit von passierendem Wasser Trümmer von den Abfallrechen abtransportiert. Auf diese Weise können teure Reinigungsvorrichtungen für den Abfallrechen vermieden werden. In manchen Fällen kann ein Reinigungssystem für den Abfallrechen erforderlich sein, und eine selbstreinigende Art der Turbinenkammern verringert die Häufigkeit, mit der das Reinigungssystem arbeiten muss, verglichen mit einer Turbinenkammer mit einem vertikal ausgerichteten Abfallrechen.
Die Wasserkraftinstallation 2000 kann ferner ein stromaufwärtiges Gatter an einem Einlass der Turbinenkammer 2010 aufweisen, um einen Strom von Flüssigkeit in die Turbinenkammer 2010 zu steuern. Das stromaufwärtige Gatter kann zwischen einer offenen Konfiguration, um einen Wasserstrom in die Turbinenkammer zu erlauben, und einer geschlossenen Konfiguration, in der ein Wasserstrom daran gehindert wird, in die Turbinenkammer zu gelangen, beweglich sein.
21 zeigt einen Prozess zum Auslegen eines für Fische sicheren Laufrads. Wie die Fachleute verstehen werden, sind nicht alle beschriebenen Arbeitsschritte notwendig, und die Arbeitsschritte müssen nicht in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden, wenn es nicht anders offensichtlich ist.
In Arbeitsschritt 2110 wird eine Wahrscheinlichkeit eines Aufschlagens eines Fisches in einem Abschnitt eines Laufradflügels geschätzt. Der Abschnitt kann zum Beispiel ein Querschnitt des Flügels entlang der Umfangsrichtung oder ein Teil des Flügels zwischen zwei konzentrischen Kreisen sein, die an einer Längsachse des Laufrads zentriert sind. Die Wahrscheinlichkeit eines Aufschlagens eines Fisches kann zum Beispiel gemäß der vorstehend besprochenen von-Raben-Gleichung geschätzt werden. Die Wahrscheinlichkeit eines Aufschlagens eines Fisches kann auch durch andere Mittel geschätzt werden, wie durch Verwendung einer Teilchenverfolgung in einer rechnerischen strömungstechnischen Simulation.
In Arbeitsschritt 2120 wird eine Wahrscheinlichkeit des Überlebens nach einem Aufschlag in dem Abschnitt geschätzt. Das Schätzen des Überlebens bei einem Aufschlag in dem Abschnitt kann zum Beispiel ganz oder teilweise auf einer Fischlänge, einer Vorderkantendicke des Flügels in dem Abschnitt, einem Verhältnis der Vorderkantendicke des Flügels in dem Abschnitt zu einem Durchmesser des Laufrads, einem Verhältnis der maximalen Dicke des Flügels in dem Abschnitt zum Durchmesser des Laufrads, einem Verhältnis der maximalen Dicke des Flügels in dem Abschnitt zu einer Länge einer Sehne des Flügels, einem Verhältnis einer Sehnenlänge des Flügels in dem Abschnitt zu einem Umfangsabstand des Flügels, einer Form eines Querschnitts der Vorderkante des Flügels in dem Abschnitt, einer Mittellinie eines Querschnitts des Flügels in dem Abschnitt, einem Verhältnis einer Sehnenlänge des Flügels in dem Abschnitt zu einer Länge der Vorderkante, einer Drehzahl, einem Abschrägungswinkel der Vorderkante des Flügels in dem Abschnitt oder einer anderen Eigenschaft des Flügels basieren. Wie vorstehend besprochen wurde, können diese Eigenschaften das Überleben eines Fisches nach einem Aufschlag beeinträchtigen. Die Wahrscheinlichkeit eines Aufschlagens eines Fisches kann auch durch andere Mittel geschätzt werden, wie durch Verwendung einer Teilchenverfolgung in einer rechnerischen strömungstechnischen Simulation.
In Arbeitsschritt 2130 wird eine Passiererrate in dem Abschnitt berechnet. Die Passierrate kann zum Beispiel durch Multiplizieren der Wahrscheinlichkeit eines Fischaufschlagens in dem Abschnitt, die in Arbeitsschritt 2110 geschätzt wurde, mit der Wahrscheinlichkeit eines Überlebens nach einem Aufschlag in dem Abschnitt, die in Arbeitsschritt 2120 geschätzt wurde, berechnet werden.
In Arbeitsschritt 2140 werden ein oder mehr der folgenden Einstellungen vorgenommen: eine maximale Vorderkantendicke des Flügels in dem Abschnitt, ein Verhältnis der maximalen Vorderkantendicke des Flügels in dem Abschnitt zu einem Durchmesser des Laufrads, ein Verhältnis der maximalen Dicke des Flügels in dem Abschnitt zum Durchmesser des Laufrads, ein Verhältnis der maximalen Dicke des Flügels in dem Abschnitt zu einer Länge einer Sehne des Flügels, ein Verhältnis einer Sehnenlänge des Flügels in dem Abschnitt zu einem Umfangsabstand des Flügels, eine Form eines Querschnitts der Vorderkante des Flügels in dem Abschnitt, eine Mittellinie eines Querschnitts des Flügels in dem Abschnitt, ein Verhältnis einer Sehnenlänge des Flügels in dem Abschnitt zu einer Länge der Vorderkante, eine Drehzahl, ein Abschrägungswinkel der Vorderkante des Flügels in dem Abschnitt, irgendeine andere Eigenschaft des Flügels oder eine Anzahl von Flügeln. Wie vorstehend besprochen wurde, können diese Eigenschaften das Überleben eines Fisches nach einem Aufschlag beeinträchtigen.
In Arbeitsschritt 2150 werden die Arbeitsschritte 2110 bis 2140 für einen zweiten Abschnitt des Flügels, der sich von dem ersten Abschnitt unterscheidet, wiederholt.
Gemäß einem Aspekt kann nach dem Arbeitsschritt 2140 ein Arbeitsschritt ausgeführt werden, um die Machbarkeit der Laufradauslegung zu bestimmen. Zum Beispiel können bauliche Kriterien und/oder Kriterien der Herstellungskosten bewertet und gegenüber der berechneten Passierrate abgewogen werden. Falls eines oder beide der baulichen Kriterien und der Kriterien der Herstellungskosten unerwünscht sind, kann der Arbeitsschritt 2140 wiederholt werden.
Es versteht sich, dass der Abschnitt der ausführlichen Beschreibung, und nicht die Abschnitte der Kurzfassung und der Zusammenfassung, zur Auslegung der Ansprüche verwendet werden sollen. Die Abschnitte der Kurzfassung und der Zusammenfassung können ein oder mehr, aber nicht alle beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung(en) anführen, wie sie von den Erfindern in Betracht gezogen werden, und somit sollen sie die vorliegende Erfindung(en) und die beigefügten Ansprüche in keiner Weise einschränken.
Die vorliegende Erfindung(en) wurde(n) vorstehend mit Hilfe von funktionellen Bausteinen beschrieben, die die Implementierung von spezifizierten Funktionen und Beziehungen von dieser veranschaulichen. Die Grenzen dieser funktionellen Bausteine wurden hier willkürlich zur Zweckmäßigkeit der Beschreibung definiert. Alternative Grenzen können definiert werden, solange die spezifizierten Funktionen und Beziehungen von diesen auf angemessene Weise ausgeführt werden.
Die vorstehende Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen wird so vollständig die allgemeine Natur der Erfindung(en) offenbaren, die Andere durch Einsetzen der Kenntnisse innerhalb des Könnens auf dem Gebiet der Technik ohne weiteres modifizieren und/oder für verschiedene Anwendungen solcher spezifischen Ausführungsformen anpassen können, ohne übermäßiges Experimentieren und ohne von dem allgemeinen Konzept der vorliegenden Erfindung(en) abzuweichen. Daher sollen solche Anpassungen und Modifikationen innerhalb der Bedeutung und des Bereichs von Äquivalenten der offenbarten Ausführungsformen basierend auf der hier vorgestellten Lehre und Anleitung liegen. Es versteht sich, dass die vorliegende Phraseologie oder Terminologie dem Zweck der Beschreibung und nicht der Begrenzung dient, so dass die Terminologie oder Phraseologie der vorliegenden Beschreibung von dem Fachmann angesichts der vorliegenden Lehre und Anleitung gedeutet werden soll.
Der Umfang und der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung(en) sollte nicht durch irgendeine der vorstehend beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt werden, sondern sollten nur gemäß den nachfolgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten definiert werden.
Beim Auslegen eines für Fische sicheren Laufrads können folgende Schritte durchgeführt werden:

Schätzen einer Wahrscheinlichkeit eines Aufschlagens eines Fisches in einem Abschnitt eines Laufradflügels;
Schätzen der Wahrscheinlichkeit des Überlebens beim Aufschlagen in dem Abschnitt;
Berechnen einer Fischpassierrate in dem Abschnitt; und basierend auf der berechneten Fischpassierrate, Einstellen eines von:
- einem Verhältnis einer maximalen Vorderkantendicke des Flügels in dem Abschnitt zu einem Durchmesser des Laufrads,
- einem Abschrägungswinkel der Vorderkante des Flügels in dem Abschnitt,
- einem Verhältnis der maximalen Vorderkantendicke des Flügels in dem Abschnitt zu einer Länge einer Sehne des Flügels, oder
- einer Form eines Querschnitts der Vorderkante des Flügels in dem Abschnitt, oder einer Anzahl von Flügeln.

Weiterhin können folgende Schritte durchgeführt werden:

Schätzen einer Wahrscheinlichkeit eines Aufschlagens von Fischen in einem zweiten Abschnitt des Laufradflügels;
Schätzen der Wahrscheinlichkeit des Überlebens beim Aufschlagen in dem zweiten Abschnitt; und
Berechnen einer zweiten Fischpassierrate in dem Abschnitt; und basierend auf der zweiten berechneten Fischpassierrate, Einstellen eines von:
- einem Verhältnis einer maximalen Vorderkantendicke des Flügels in dem zweiten Abschnitt zum Durchmesser des Laufrads,
- einem Abschrägungswinkel der Vorderkante des Flügels in dem zweiten Abschnitt,
- einem Verhältnis der maximalen Vorderkantendicke des Flügels in dem zweiten Abschnitt zu einer Länge einer Sehne des Flügels, oder
- einer Form eines Querschnitts der Vorderkante des Flügels an dem zweiten Abschnitt, oder
- einer Anzahl von Flügeln.

Insbesondere umfasst das Schätzen der Wahrscheinlichkeit des Überlebens beim Aufschlagen in dem Abschnitt das Schätzen der Wahrscheinlichkeit eines Überlebens beim Aufschlagen zumindest teilweise basierend auf dem Abschrägungswinkel des Abschnitts.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62/818031 [0001]

Claims

Laufrad für eine Wasserturbine, umfassend: eine Nabe; und mehrere Flügel, die sich von der Nabe erstrecken, wobei jeder Flügel der mehreren Flügel eine sich an der Nabe befindende Basis, eine Spitze entgegengesetzt zur Basis, eine Vorderkante und eine Hinterkante entgegengesetzt zur Vorderkante umfasst, und wobei ein Verhältnis einer Dicke der Vorderkante zu einem Durchmesser des Laufrads t_LE/D_t größer als etwa 0,06 ist.
Laufrad nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis der Dicke der Vorderkante zum Durchmesser des Laufrads von etwa 0,08 bis etwa 0,35 beträgt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 2, wobei eine maximale Vorderkantendicke von mindestens einem der Flügel mindestens etwa 50 mm beträgt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Verhältnis einer maximalen Dicke des Laufrads an der Flügelnabe zum Durchmesser im Bereich von 0,15 bis etwa 0,25 liegt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Verhältnis einer maximalen Dicke zum Durchmesser des Laufrads an der Flügelspitze im Bereich von etwa 0,1 bis etwa 0,25 liegt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Vorderkantendicke mindestens eines der Flügel an der Flügelspitze größer ist als die Vorderkantendicke an der Flügelbasis.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mehreren Flügel fünf oder weniger Flügel umfassen.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Vorderkante mindestens eines der Flügel sattelförmig ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei für mindestens einen der Flügel ein Verhältnis einer Vorderkantendicke des Flügels an der Flügelnabe zu einer Länge einer Sehne des Flügels an der Flügelnabe im Bereich von etwa 0,25 bis etwa 0,39 liegt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei für mindestens einen der Flügel ein Verhältnis einer maximalen Vorderkantendicke des Flügels an der Flügelspitze zu einer Länge einer Sehne des Flügels an der Flügelspitze im Bereich von etwa 0,09 bis etwa 0,25 liegt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein Teil der Vorderkante an der Flügelspitze zumindest eines der Flügel in einer Richtung der Flügeldrehung nach vorne abgeschrägt ist.
Laufrad nach Anspruch 11, wobei der Teil der Vorderkante an der Flügelspitze in einem Winkel im Bereich von etwa 20° bis etwa 90° abgeschrägt ist.
Laufrad nach Anspruch 12, wobei der Teil der Vorderkante an der Flügelspitze in einem Winkel im Bereich von etwa 25° bis etwa 45° abgeschrägt ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei für mindestens einen der Flügel die Vorderkante der Flügelbasis entlang einer radialen Achse des Laufrads positioniert ist und die Vorderkante der Flügelspitze über die radiale Achse hinaus in einer Umfangsrichtung des Laufrads freitragend ist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Laufrad einen Durchmesser von mindestens 0,5 Metern aufweist.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Durchmesser des Laufrads weniger als etwa 3 Meter beträgt.
Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei ein Verhältnis einer Länge des Laufrads, gemessen in einer Richtung einer Längsachse der Turbine, zum Durchmesser des Laufrads etwa 0,25 bis etwa 0,75 beträgt.
Turbine, umfassend: ein Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass für einen Strom von Flüssigkeit definiert, und das Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das innerhalb des Gehäuses positioniert ist.
Turbine nach Anspruch 18, wobei die Turbine dafür ausgelegt ist, einen Strom von Wasser in einer axialen Richtung aufzunehmen und einen Strom von Wasser in der axialen Richtung abzugeben.
Turbine nach Anspruch 18, wobei die Turbine dafür ausgelegt ist, einen Strom von Wasser in einer radialen Richtung aufzunehmen und einen Strom von Wasser in einer axialen Richtung abzugeben.
Wasserkraftinstallation für eine Niederdruckanwendung, umfassend: mehrere Turbinenkammern, die dafür ausgelegt sind, eine Fallhöhe zwischen einem Oberwasser stromaufwärts der Turbinenkammer und einem Unterwasser stromabwärts der Turbinenkammer zu halten; mehrere Axialturbinen, wobei eine der mehreren Axialturbinen innerhalb von jeder der mehreren Turbinenkammern positioniert ist, wobei jede der Axialturbinen Folgendes umfasst: ein Gehäuse, das einen Strömungsdurchlass definiert, und das Laufrad nach einem der Ansprüche 1 bis 16, das innerhalb des Gehäuses positioniert ist.