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