NO331960B1 - Francisturbin - Google Patents

Abstract

En francisturbin med en forbedret form på bladene, som kan redusere en perifer hastighetskomponent generert i strømmen nedstrøms av bladene i forhold med delvis belastningsdrift, eller redusere sekundærstrømning rundt bladene, er fremskaffet. Francisturbinen omfatter en krone, et flertall av blader og et bånd. Kronen kan rotere om en roterende akse. Bladene er arrangert i omkretsen rundt kronen, hvor hver av dem inkluderer en indre ende som en bakkant. Båndet er koaksialt forbundet med kronen av bladene. En avstand Rc kan defineres som avstanden mellom rotasjonsaksen og en ende ved kronesiden av bakkanten. En avstand Rb defineres som avstanden mellom rotasjonsaksen og en ende ved båndsiden av bakkanten. Avstanden Rc og avstanden Rb tilfredsstiller 0,2 ( Rc/Rb ( 0,4.

Description

Denne oppfinnelsen vedrører en Francis-turbin som anvendes som en hydraulisk turbin eller en pumpe, og spesielt en Francis-turbin som har blader med en forbedret form på en bakkant.

En Francis-turbin anvendes i en hydraulisk maskin, inkludert en reversibel pumpeturbin for kraftgenerering.

Et konvensjonelt Francis-turbinløpehjul er beskrevet i USP 4 479 757. Dette konvensjonelle Francis-turbinløpehjulet inkluderer blader hvis innløpsform (en forkant) er buet i en retning motsatt en rotasjonsretning av en turbindrift, fra en båndside til en kroneside.

Et annet konvensjonelt Francis-turbinløpehjul er beskrevet i USP 6 135 716. Dette konvensjonelle Francis-turbinløpehjulet inkluderer blader hvis innløpsform (en forkant) er buet i en rotasjonsretning av en turbindrift, fra en båndside til en kroneside. Dette konvensjonelle Francis-turbinløpehjulet inkluderer også blader hvis utløpsform (en bakkant) er buet i en rotasjonsretning av en turbin, fra en kroneside til en båndside.

US 1 942 995 og US 3 874 819 beskriver også hydraulisk turbiner med lpehjul av Francis-typen.

Det er også beskrevet en konvensjonell reversibel pumpeturbin i den japanske patentpublikasjonen (Kokai) nr. 8-312517. Et løpehjul i denne konvensjonelle reversible pumpeturbinen har blader hvis bakkant er buet i en retning motsatt dens rotasjonsretning fra et midtpunkt av bakkanten til en båndside. I tillegg har dette konvensjonelle løpehjulet en bakkant, hvis profil projisert på et meridianplan (et plan som omfatter rotasjonsaksen) er langstrakt mot en nedstrømsside ved båndsiden for å forbedre hydraulisk virkningsgrad ved en operasjonstilstand med delvis last.

En annen konvensjonell reversibel turbin er beskrevet i den japanske patentpublikasjonen (Kokai) nr. 2000-136766. Et løpehjul av denne konvensjonelle reversible pumpeturbinen har blader hvis bakkant er buet slik at bakkanten er formet til å være konveks i en rotasjonsretning av en turbindrift.

Slike bladformer på konvensjonelle Francis-turbiner er utviklet for å forbedre en hydraulisk virkningsgrad eller for å redusere kavitasjoner. Det er fremdeles rom til å utvikle formen av bladene for å forbedre virkningsgraden på bakgrunn av nylig utvikling av teknologi i et felt så som databasert fluiddynamikk.

Spesielt er det kjent at sekundærstrømning, som er en strømningsom ikke er langs en strømningslinje, forvrenger trykkdistribusjonen på bladene og resulterer i tap av hydraulisk virkningsgrad.

Det er dermed en fordel ved et trekk av den foreliggende oppfinnelse å fremskaffe en Francis-turbin med en forbedret form av blader som kan redusere en periferihastighetskomponent generert i strømningen nedstrøms av bladene i en tilstand av delvis belastningsdrift, eller redusere sekundærstrømning rundt bladene.

Det er derfor frembrakt en Francis-turbin som omfatter en krone som kan rotere om en rotasjonsakse; et flertall av blader som er arrangert rundt omkretsen av kronen, hvor hver av disse inkluderer en indre ende som en bakkant; og et bånd koaksialt forbundet med kronen av bladene; hvor en projisert profil av bakkanten på et meridianplan, som er et plan som inkluderer rotasjonsaksen, er formet på en indre side av en rett linje som forbinder begge ender av bakkanten på meridianplanet, hvor en avstand Rb kan defineres som en avstand mellom rotasjonsaksen og en ende ved båndsiden av bakkanten, hvor maksimumsavstanden s kan defineres som en maksimums avstand mellom den rette linjen og bakkanten på meridianplanet, og avstanden Rb og maksimumsavstanden s tilfredsstiller

I en foretrukket utførelsesform kan en avstand Rc defineres som en avstand mellom rotasjonsaksen og en ende ved kronesiden av bakkanten, hvor avstanden Rc og avstanden Rb tilfredsstiller

Videre egenskaper, trekk og fordeler med foreliggende oppfinnelse vil bli synlig fra den detaljerte beskrivelsen av foretrukne utførelseseksempler som følger, når disse vurderes sammen med de vedlagte illustrasjoner. Fig. 1 er et halvt tverrsnittsriss som inkluderer en senterakse av et Francis-turbinløpehjul i henhold til det første utførelseseksemplet av oppfinnelsen. Fig. 2 er et skjematisk snittriss av et løpehjulblad 6 langs en strømningslinje av vann, med et hastighetstriangel for strømmen fra løpehjulbladet, i henhold til det første utførelseseksemplet. Fig. 3 er en hydraulisk virkningsgradsgraf, som viser hydraulisk virkningsgrad mot verdien Rc/Rb av bakkanten under delvis belastningsdriftsforhold, i henhold til det første utførelseseksemplet. Fig. 4 er et halvt tverrsnittsriss som inkluderer en senterakse av et Francis-turbinløpehjul i henhold til det andre utførelseseksemplet av oppfinnelsen. Fig. 5A og 5B er trykkdistribusjonsdiagrammer på en sugeoverflate av et løpehjulblad av Francis-turbinen oppnådd ved en strømningsanalyse. Fig. 6 er en hydraulisk virkningsgradsgraf som viser hydraulisk virkningsgrad mot verdien s/Rb av bakkanten oppnådd ved strømningsanalyse.

Et første utførelseseksempel i henhold til foreliggende oppfinnelse vil bli forklart med referanse til fig. 1-3.

Fig. 1 er et halvt tverrsnittsriss som inkluderer en senterakse av et Francis-turbinløpehjul i henhold til det første utførelseseksemplet. Siden Francis-turbinløpehjulet roterer om senteraksen (også referert til som en rotasjonsakse), er halvparten av illustrasjonen utelatt siden den har en symmetrisk profil i fig. 1.

Som vist i fig. 1 inkluderer et Francis-turbinløpehjul 5 en krone 7, et bånd 8 og et flertall av løpehjulblader 6. Kronen 7 er forbundet med en roterende aksel (ikke vist) med en rotasjonsakse 1. Løpehjulblader 6 er anordnet rundt omkretsen av kronen 7.1 fig. 1 er ett av løpehjulbladene vist som en projisert profil på et meridianplan, som er et plan som inkluderer rotasjonsaksen 1. Bånd 8 er forbundet med løpehjulbladene 6 og er arrangert slik at rotasjonsaksen 1 kommer i dets senter. Derved er bånd 8 koaksialt forbundet med kronen 7, ved hjelp av løpehjulbladene 6. Med andre ord er løpehjulbladene 6 holdt i omkretsen rundt rotasjonsaksen 1 mellom kronen 7 og båndet 8.

Med denne konfigurasjonen strømmer vann langs løpehjulbladene 6 fra utsiden av Francis-turbinløpehjulet 5 til innersiden, og driver Francis-turbinløpehjulet 5 som en helhet i én retning. Vannet strømmer ut nedover fra Francis-turbinløpehjulet 5 etter at det driver Francis-turbinløpehjulet 5.

En ytre ende av løpehjulbladet 6 er en forkant, som er en innløpsside av bladet 6 siden vannet kommer fra utsiden av Francis-turbinløpehjulet 5. På samme vis er en indre ende av løpehjulbladet 6 en bakkant 12, som er en utløpsside av bladet 6 hvor vannet strømmer ut mot et uttrekksrør (ikke vist) koblet til Francis-turbinen.

På bakkanten 12 er en ende som forbindes med kronen 7 referert til som en

kronesideende 13. På samme vis er den andre enden av bakkanten 12 som forbindes med båndet 8 referert til som en båndsideende 14.1 dette utførelseseksemplet har en avstand Rc, som er avstanden mellom rotasjonsaksen 1 og kronesideenden 13, og en avstand Rb, som er en avstand mellom rotasjonsaksen 1 og båndsideenden 14, et

forhold som følger formelen (a).

Med andre ord er formen av bakkanten 12 av løperhjulbladene 6 designet slik at de tilfredsstiller formelen (a).

Konvensjonelt er denne verdien, som betyr et forhold mellom avstanden Rc og avstanden Rb, omtrent 50 %. I dette utførelseseksemplet er verdien av Rc/Rb redusert slik at strømmen fra Francis-turbinløpehjulet 5 har en mindre periferisk hastighetskomponent, spesielt med en delvis belastningsdrift av Francis-turbinen. Som nevnt over strømmer vann fra Francis-turbinløpehjulet 5 mot uttrekksrøret (ikke vist). Uttrekksrøret har en funksjon for å gjenvinne hydrostatisk trykk fra det dynamiske trykket av vannet som strømmer ut fra Francis-turbinløpehjulet 5. Periferihastighetskomponenten av vannet som går ut fra Francis-turbinløpehjulet 5 genererer en roterende strøm i uttrekksrøret. Det er ønskelig å ikke ha den roterende strømmen i uttrekksrøret fordi den roterende strømkomponenten ikke er sannsynlig å bli gjenvunnet som hydrostatisk trykk i uttrekksrøret, og derved kan resultere i hydraulisk tap.

Generelt er formen på løpehjulbladene 6 optimalisert for forhold som passer en nominell strømningsmengde. Med andre ord er løpehjulbladet 6 designet slik at strømmen fra Francis-turbinløpehjulet 5 ikke har en periferihastighetskomponent når Francis-turbinen drives i forholdet med nominell strømningsmengde. Når den driftes i et tilfelle av delvis belastningsdrift, er strømningsmengden av vannet redusert mens en roterende hastighet av Francis-turbinløpehjulet 5 ikke forandres. Dette forårsaker en perifer hastighetskomponent i strømmen fra Francis-turbinløpehjulet 5, og det resulterer i en roterende strømkomponent i uttrekksrøret.

Fig. 2 er et skjematisk snittriss av løpehjulbladet 6 langs en strømningslinje av vann, med et hastighetstriangel for strømmen fra løpehjulet i henhold til utførelseseksemplet, sammenlignet med et konvensjonelt løpehjulblad. En stiplet linje indikerer løpehjulbladet i henhold til utførelseseksemplet. En hel linje indikerer et konvensjonelt løpehjulblad. I hastighetstriangelen vist i fig. 2 indikerer U rotasjonshastighet, som er en hastighet av bakkanten ved rotasjon, V indikerer relativ strømningshastighet av vannet fra løpehjulbladet 6, og W indikerer absolutt hastighet, som er en sammensatt hastighet av U og V.

I den delvise belastningsdriften er strømningshastigheten av vannet redusert. Som vist i fig. 2 har den absolutte hastigheten W en periferihastighetskomponent Vu la eller Vulb, fordi den relative strømningshastigheten. V er redusert ved reduksjon av strømningsmengden. Imidlertid er lengden av løpehjulbladet 6 i henhold til utførelseseksemplet lengre enn for et konvensjonelt, siden formen av løpehjulbladet 6 tilfredsstiller formelen (a) som er nevnt over. Derfor blir en periferi (tangential) hastighet U, som er en hastighet av bakkanten av løpehjulbladet ved rotasjon, mindre, sammenlignet med det konvensjonelle løpehjulbladet (vist med en hel linje). Derved kan periferihastighetskomponenten Vulb, som er generert med løpehjulbladet 6 i henhold til utførelseseksemplet, være mindre enn periferihastighetskomponenten Vu la generert fra det konvensjonelle løpehjulbladet. Fordi periferihastighetskomponenten Vulb er redusert, blir også det hydrauliske tapet forårsaket av den roterende strømkomponenten i uttrekkrøret redusert.

Fig. 3 er en hydraulisk virkningsgradsgraf som viser hydraulisk virkningsgrad mot verdien Rc/Rb av bakkanten ved partiell belastningsdrift. Den hydrauliske virkningsgraden vist i fig. 3 er oppnådd med strømningsanalysen. Som vist i fig. 3 er den hydrauliske virkningsgraden forbedret i et område for verdien Rc/Rb i formelen (a). Dette er fordi utførelseseksemplet reduserer den roterende strømkomponenten, og fordi den roterende strømkomponenten som inntraff i uttrekksrøret ikke er sannsynlig å bli gjenvunnet som hydrostatisk trykk, og derved er sannsynlig å bli tapt. Ved at periferihastighetskomponenten av strømningen, som genererer en roterende strømkomponent i uttrekksrøret, blir redusert, blir den hydrauliske virkningsgraden forbedret i den delvise belastningsdriften.

På den annen side, når verdien Rc/Rb er mindre, hvilket medfører at avstanden Rc blir mindre, blir friksjonstapet øket siden lengden av løpehjulbladet 6 er relativt langstrakt. Derved er verdien Rc og Rb fortrinnsvis innenfor området som bestemmes av formelen (a).

I henhold til det første utførelseseksemplet av oppfinnelsen, er verdien Rc/Rb, som er et forhold mellom avstanden Rc fra rotasjonsaksen 1 til kroneenden 13 og avstanden Rb fra rotasjonsaksen 1 til båndenden 14, redusert. Med andre ord er posisjonen av løpehjulbladet 6 ved utløpsenden bragt relativt nær til rotasjonsaksen 1. Derfor er rotasjonshastigheten av løpehjulbladet 6 relativt redusert ved utløpet (bakkanten 12). I henhold til dette blir periferihastighetskomponenten redusert ved en indre side av løpehjulbladet 6, og derved blir tapet i uttrekksrøret, forårsaket av en økning av den roterende strømkomponenten, redusert, og turbinvirkningsgraden som en helhet kan bli forbedret.

Et andre utførelseseksempel i henhold til foreliggende oppfinnelse vil nå bli beskrevet med referanse til fig. 4-6.

Fig. 4 er et halvt tverrsnittsriss som inkluderer en senterakse av et Francis-turbinløpehjul i henhold til det andre utførelseseksemplet. Siden Francis-turbinløpehjulet roterer rundt senteraksen (også referert til som en rotasjonsakse) er halvparten av illustrasjonen utelatt, siden den har en symmetrisk profil i fig. 4. De samme symbolene er anvendt for de samme elementene som er vist i fig. 1, og detaljert beskrivelse av disse elementene er derfor utelatt.

Som vist i fig. 4 inkluderer et Francis-turbinløpehjul en krone 7, et bånd 8 og et flertall av løpehjulblader 6. Kronen 7 er koblet til en roterende aksel (ikke vist) med en rotasjonsakse 1. Løpehjulblader 6 er anordnet rundt omkretsen av kronen 7. Båndet 8 er forbundet med løpehjulblader 6 og er arrangert slik at rotasjonsaksen 1 kommer i senteret av dette. Derved er båndet 8 koaksialt forbundet med kronen 7 med hjelp av løpehjulbladene 6. På samme vis som i fig. 1 er løpehjulbladene 6 vist som en projisert profil på et meridianplan, som er et plan som inkluderer rotasjonsaksen 1 i fig. 4. En ytre ende av løpehjulbladet 6 er en forkant, som er en innløpsside av vannet. En indre ende av løpehjulbladet 6 er en bakkant 12, som er en utløpsside av vannet. På bakkanten 12 er en ende som er forbundet med kronen 7 referert til som en kronesideende 13. Den andre enden av bakkanten 12, som forbindes med båndet 8, er referert til som en båndsideende 14. En avstand Rb er definert som en avstand mellom rotasjonsaksen 1 og båndsideenden 14. En maksimumsavstand s er definert i meridianplanet som en maksimum avstand mellom en rett linje som forbinder kronesideenden 13 og båndsideenden, og bakkanten 12.

I dette utførelseseksemplet er løpehjulbladene 6 designet slik at bakkanten 12 av løpehjulsbladet 6 er formet på den indre siden av den rette linjen, som forbinder kroneenden 13 og båndenden 14, i meridianplanet. Videre er løpehjulbladene 6 designet slik at den projiserte profilen av bakkanten 12 av løpehjulbladet 6 på meridianplanet tilfredsstiller følgende formel (b).

Verdien s/Rb, som er et forhold mellom maksimumsavstanden s og avstanden Rb, er redusert for å redusere trykkforvrengningen nær innløpet av løpehjulsbladet 6. Dette hjelper til å forhindre at det skal inntreffe sekundærstrømning på grunn av trykkforvrengning på løpehjulsbladet 6.1 det konvensjonelle Francis-turbinløpehjulet er verdien s/Rb omtrent i området av 0,1-0,3.

Fig. 5A og 5B er trykkdistribusjonsdiagrammer som illustrerer en sugeoverflate av løpehjulbladet 6, oppnådd ved strømningsanalyse. Fig. 5A viser et konvensjonelt Francis-turbinløpehjul, mens fig. 5B viser et Francis-turbinløpehjul 5 i henhold til dette utførelseseksemplet. I fig. 5A og 5B er de samme symbolene anvendt for å indikere de samme elementene som er vist i fig. 4.

Som vist i fig. 5A inntreffer trykkforvrengning nær innløpet av det konvensjonelle løpehjulsbladet 6 av Francis-turbinløpehjulet 5, når forholdet s/Rb er omtrent 0,1-0,3. Denne trykkforvrengningen genererer en strømningskomponent langs en trykkgradient på løpehjulsbladet 6. Strømningskomponenten kan resultere i sekundærstrømningen, som er en strømning som ikke er langs en strømlinje. Inntrefning av sekundærstrøm forårsaker tap i Francis-turbinløpehjulet 5, som resulterer i reduksjon i turbinvirkningsgrad.

På den annen side blir, som vist i fig. 5B, konstante trykklinjer på sugeoverflaten av løpehjulsbladet 6 beveget til utløpssiden av løpehjulsbladet 6 i forhold til den konvensjonelle. Dette fordi bakkanten 12 er formet som den er når den beveges mot utløpssiden av løpehjulsbladet 6 rundt senterdelen av bakkanten 12 sammenlignet med den konvensjonelle. Det er også vist i fig. 5B at trykkforvrengningen er relativt redusert sammenlignet til den konvensjonelle, som er vist i fig. 5A.

Derved, i henhold til dette utførelseseksemplet, kan trykkforvrengningen på løpehjulsbladet bli redusert. Det medfører at inntreffing av sekundærstrømning kan bli forhindret, og hydraulisk virkningsgrad kan bli forbedret.

Fig. 6 er en hydraulisk virkningsgradsgraf som viser hydraulisk virkningsgrad mot verdien s/Rb av bakkanten oppnådd ved strømninganalyse. Det er vist at den hydrauliske virkningsgraden blir forbedret i området for verdien s/Rb fra omtrent 0 til 0,05. Derved kan den hydrauliske virkningsgraden av Francis-turbinløpehjulet 5 bli forbedret når bakkanten 12 av løpehjulsbladet 6 er formet slik at det tilfredsstiller formelen (b) som er nevnt over.

Andre utførelseseksempler av foreliggende oppfinnelse vil være åpenbare for fagpersonen etter vurdering av spesifikasjoner og de praktiske utførelser av oppfinnelsen som er nevnt heri. En profil av en forkant, som er beskrevet i en søknad med tittelen "Francis turbine" levert inn 16. juni 2004 med søknadsnummeret 20042756, og/eller en profil av en bakkant som er beskrevet i en søknad med tittelen "Francis turbine" levert inn 16. juni 2004 med søknadsnummeret 20042528, kan bli anvendt i det foran nevnte utførelseseksempel for videre forbedring av ytelsen.

Claims (2)

1. Francis-turbin (5) som omfatter: en krone (7), som kan rotere om en rotasjonsakse (1); et flertall av blader (6) arrangert rundt omkretsen av kronen (7), hvor hver av disse inkluderer en indre ende som en bakkant (12); og et bånd (8) koaksialt forbundet med kronen (7) av bladene (6); hvor en projisert profil av bakkanten (12) på et meridianplan, som er et plan som inkluderer rotasjonsaksen (1), er formet på en indre side av en rett linje som forbinder begge ender (13, 14) av bakkanten (12) på meridianplanet, hvor en avstand Rb kan defineres som en avstand mellom rotasjonsaksen (1) og en ende (14) ved båndsiden av bakkanten (12), hvor maksimumsavstanden s kan defineres som en maksimumsavstand mellom den rette linjen og bakkanten (12)på meridianplanet, og hvor avstanden Rb og maksimumsavstanden s tilfredsstiller

2. Francis-turbin (5) ifølge krav 1, hvor en avstand Rc kan defineres som en avstand mellom rotasjonsaksen (1) og en ende (3) ved kronesiden av bakkanten (12), hvor avstanden Rc og avstanden Rb tilfredsstiller