WO2004031574A1 - Roue de type francis - Google Patents

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Danièle BAZIN
Michel Henri Couston
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Alstom Technology Ltd
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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/12—Blades; Blade-carrying rotors
    • F03B3/125—Rotors for radial flow at high-pressure side and axial flow at low-pressure side, e.g. for Francis-type turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/20—Rotors
    • F05B2240/30—Characteristics of rotor blades, i.e. of any element transforming dynamic fluid energy to or from rotational energy and being attached to a rotor
    • F05B2240/301—Cross-section characteristics
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the invention relates to a Francis type wheel and to a turbine equipped with such a wheel.
  • Francis type wheels can be fitted to different kinds of hydraulic machines, such as turbines, pumps or pump-turbines. They include vanes distributed around a central shaft of rotation and which define between them water flow conduits. In the case of turbines, the geometry of the blades of these wheels is defined so that the flow of water induces a torque on the wheel.
  • the power that can be delivered by a turbine equipped with such a wheel depends on its geometry, especially on its diameter, in connection with its speed of rotation.
  • the diameter of the wheel is imposed, in particular in the case of the rehabilitation of an installation where the diameter cannot be changed without major civil works.
  • the conditions of use of the turbine can be modified, in particular by reducing the speed of rotation and / or increasing the height of fall, in which case the orientation of the leading edge of the blades is no longer compatible with the angle of incidence of the water jet.
  • vortices and / or cavitation phenomena are created near the lower and upper surfaces of the blades, which reduces the efficiency of the hydraulic machine and favors wear phenomena.
  • the invention more particularly intends to remedy by proposing a new Francis wheel capable of operating satisfactorily under the new defined conditions of use.
  • the invention relates to a Francis type wheel which comprises a ceiling, a belt and vanes, extending between this ceiling and this belt, these vanes defining between them liquid flow conduits.
  • This wheel is characterized in that the ratio of the maximum thickness of each blade to the average developed length of its average fiber is between 0.1 and 0.2 while, at the leading edge of this blade , the average fiber is oriented, over substantially the entire height of the leading edge, along a straight line making an angle ( ⁇ ) greater than 90 ° relative to the linear speed of advance of the leading edge of the blade.
  • the combination of the particular orientation of the leading edge and the maximum thickness of the blade allows operation without creating eddies or annoying cavitation phenomena.
  • this wheel incorporates one or more of the following characteristics: -
  • the above report is greater than 0.13 and preferably greater than 0.15.
  • the average angle between the linear speed of progression of a blade at its leading edge and the average fiber of this blade at this edge is between 110 ° and 140 °.
  • Each blade is formed of a skin constituting its lateral faces and defining a hollow internal volume of the blade.
  • the skin can be metallic or made of composite material. It can also be provided that the skin is formed by assembling two plates constituting respectively the lower surface and upper surface of the blade. According to an advantageous aspect, the internal volume of the blade can be filled with a filling material.
  • the invention also relates to a Francis type hydraulic turbine which comprises a wheel as previously described.
  • FIG. 2 is a perspective view, partially broken away, of a Francis turbine wheel according to the invention.
  • FIG. 3 is a view similar to Figure 1 for the turbine of Figure 2 and FIG. 4 is a cross-section in principle, on a larger scale, of a blade of the wheel of FIGS. 2 and 3.
  • the wheel 1 shown in FIGS. 2 to 4 comprises identical vanes 2 distributed around a central axis XX 'of rotation of the wheel 1.
  • a ceiling 3 is provided in the upper part of the wheel 1, while a belt 4 borders the lower, radial and external part of the vanes 2.
  • a flow duct 5 is thus defined between each pair of two adjacent blades 2, this duct being bordered by the ceiling 3 and the belt 4.
  • L the average length of this fiber 23, this average being taken as equal to half the sum of the length of the average fiber of a blade 2 at the level of the ceiling 3 and at the level of the belt 4.
  • the geometry of the vane 2 is chosen so that the ratio e / L is between 0.1 and 0.2, that is to say that e represents between 10 and 20% of L. Conclusive tests were run with e / L values between 0.13 and 0.18. In particular, a wheel with an e / L ratio equal to about 0.16 works very satisfactorily.
  • the geometry of the blade 2 is such that, in the vicinity of the leading edge 21, the neutral fiber 23 extends along a straight line ⁇ 23 making an angle ⁇ greater than 90 ° relative to the linear speed d advance U of the leading edge 21.
  • the angle ⁇ has an average value, over the height of the edge 21 between 110 ° and 140 °, with preferably a maximum value less than 150 °.
  • the configuration shown in FIG. 2 is that which prevails over most of the height of the leading edge 21 between its point of attachment on the ceiling 3 and its point of attachment 214 on the belt 4.
  • the average fiber 23 oriented from the trailing edge 22 towards the leading edge 21 extends in the direction of the straight line ⁇ 23 which, relative to a radius R 21 of the wheel 1 passing through the leading edge 21, is opposite to the linear speed U of progression of the edge 21.
  • the relatively large thickness e of the blade 2 is such that, on its underside 24, there is little risk of creating vortices.
  • a blade 2 is produced with a metallic skin 26 surrounding a hollow volume V 2 , which allows an appreciable saving in weight and material compared to the case where dawn 2 would be scheduled mono-block and full.
  • the skin 26 is formed by welding two metal sheets 26 ⁇ and 26 2 at two welding areas 27 x and 27 2 .
  • plates of composite material comprising an organic resin loaded with reinforcing fibers, can be used to constitute the skin 26.
  • the volume V 2 can be filled with a mass 28 of filling material, for example plastic foam.

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Abstract

Cette roue de type Francis comprend un plafond, une ceinture et des aubes s'étendant entre le plafond et la ceinture, ces aubes (2) définissant entre elles des conduits d'écoulement de liquide. Le rapport (e/L) de l'épaisseur maximum (e) de chaque aube (2) sur la longueur développée moyenne (L) de sa fibre moyenne (23) est compris entre 0,1 et 0,2. Cette fibre moyenne (23) est orientée, sur sensiblement toute la hauteur du bord d'attaque (21), selon une droite (D23) faisant un angle (a) supérieur à 90° par rapport ô la vitesse linéaire d'avance (U) du bord d'attaque (21) de l'aube (2).

Description

ROUE DE TYPE FRANCIS ET TURBINE HYDRAULIQUE EQUIPEE D'UNE TELLE ROUE
L'invention a trait à une roue de type Francis et à une turbine équipée d'une telle roue.
Les roues de type Francis peuvent équiper différentes sortes de machines hydrauliques, telles que des turbines, des pompes ou des turbines-pompes . Elles comprennent des aubes réparties autour d'un arbre central de rotation et qui définissent entre elles des conduits d'écoulement d'eau. Dans le cas des turbines, la géométrie des aubes de ces roues est définie pour que l'écoulement de l'eau induise un couple de rotation sur la roue. La puissance que peut délivrer une turbine équipée d'une telle roue dépend de sa géométrie, tout particulièrement de son diamètre, en liaison avec sa vitesse de rotation.
Dans certaines configurations d'une machine hydraulique Francis, le diamètre de la roue est imposé, notamment en cas de réhabilitation d'une installation où le diamètre ne peut pas être modifié sans d'importants travaux de génie civil .
Dans le cas d'une turbine Francis classique, représentée partiellement en vue de dessus et avec arrachement partiel à la figure 1, la vitesse V d'injection de l'eau se décompose en une vitesse linéaire U du bord d'attaque B d'une aube A de turbine et une vitesse relative du jet d'eau par rapport à l'aube A. Dans ces conditions, il est habituel de concevoir une roue de turbine -Francis pour que la fibre moyenne M de chaque aube soit orientée selon une droite Δ faisant un angle α inférieur à 90° par rapport à la vitesse linéaire d'avance U de son bord d'attaque B. Cependant, notamment en cas de réhabilitation, les conditions d'utilisation de la turbine peuvent être modifiées, notamment par diminution de la vitesse de rotation et/ou augmentation de la hauteur de chute, auquel cas l'orientation du bord d'attaque des aubes n'est plus compatible avec l'angle d'incidence du jet d'eau. Dans ce cas, il se crée des tourbillons et/ou des phénomènes de cavitation à proximité des surfaces intrados et extrados des aubes, ce qui diminue le rendement de la machine hydraulique et favorise les phénomènes d'usure.
C'est à ces inconvénients qu'entend plus particulièrement remédier l'invention en proposant une nouvelle roue Francis pouvant fonctionner de façon satisfaisante dans les nouvelles conditions d'utilisation définies.
Dans cet esprit, l'invention concerne une roue de type Francis qui comprend un plafond, une ceinture et des aubes, s 'étendant entre ce plafond et cette ceinture, ces aubes définissant entre elles des conduits d'écoulement de liquide. Cette roue est caractérisée en ce que le rapport de l'épaisseur maximum de chaque aube sur la longueur développée .moyenne de sa fibre moyenne est compris entre 0,1 et 0,2 alors que, au niveau du bord d'attaque de cette aube, la fibre moyenne est orientée, sur sensiblement toute la hauteur du bord d'attaque, selon une droite faisant un angle (α) supérieur à 90° par rapport à la vitesse linéaire d'avance du bord d'attaque de l'aube.
Grâce à l'invention, la combinaison de l'orientation particulière du bord d'attaque et de l'épaisseur maximum de l'aube permet un fonctionnement sans création de tourbillons ou phénomènes de cavitation gênants.
Selon d'autres aspects avantageux de l'invention, cette roue incorpore une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - Le rapport précité est supérieur à 0,13 et, de préférence, supérieur à 0,15.
L'angle moyen entre la vitesse linéaire de progression d'une aube au niveau de son bord d'attaque et la fibre moyenne de cette aube au niveau de ce bord est compris entre 110° et 140°.
- Chaque aube est formée d'une peau constituant ses faces latérales et définissant un volume interne creux de l'aube. Une telle structure permet d'envisager la création d'aubes relativement épaisses sans que leur masse ne soit trop importante et sans que leur prix de revient en matière ne soit trop élevé. Dans ce cas, la peau peut être métallique ou réalisée en matière composite. On peut également prévoir que la peau est formée par assemblage de deux plaques constituant respectivement l'intrados et l'extrados de l'aube. Selon un aspect avantageux, le volume interne de l'aube peut être garni d'un matériau de remplissage .
L'invention concerne également une turbine hydraulique de type Francis qui comprend une roue telle que précédemment décrite .
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lumière de la description qui va suivre d'un mode de réalisation d'une roue de turbine Francis conforme à son principe, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 2 est une vue, en perspective et avec arrachement partiel, d'une roue de turbine Francis conforme à l'invention ;
- la figure 3 est une vue analogue à la figure 1 pour la turbine de la figure 2 et la figure 4 est une coupe transversale de principe, à plus grande échelle, d'une aube de la roue des figures 2 et 3.
La roue 1 représentée aux figures 2 à 4 comprend des aubes 2 identiques et réparties autour d'un axe central X- X' de rotation de la roue 1. Un plafond 3 est prévu en partie supérieure de la roue 1, alors qu'une ceinture 4 borde la partie inférieure, radiale et externe des aubes 2. Un conduit d'écoulement 5 est ainsi défini entre chaque paire de deux aubes 2 -adjacentes, ce conduit étant bordé par le plafond 3 et la ceinture 4.
On note 21 le bord d'attaque d'une aube 2. On note 22 son bord de fuite. On définit la fibre moyenne 23 de l'aube
2 comme étant, dans chaque plan transversal de cette aube, une courbe située à égale distance de la face d'intrados 24 et de la face d'extrados 25 de l'aube 2.
On note L la longueur moyenne de cette fibre 23, cette moyenne étant prise comme égale à la demi-somme de la longueur de la fibre moyenne d'une aube 2 au niveau du plafond 3 et au niveau de la ceinture 4.
On note e l'épaisseur maximum de l'aube 2.
La géométrie de l'aube 2 est choisie de telle sorte que le rapport e/L est compris entre 0,1 et 0,2, c'est-à- dire que e représente entre 10 et 20% de L. Des essais concluants ont été conduits avec des valeurs de e/L comprises entre 0,13 et 0,18. En particulier, une roue avec un rapport e/L égal à environ 0,16 fonctionne de façon très satisfaisante.
En outre, la géométrie de l'aube 2 est telle que, au voisinage du bord d'attaque 21, la fibre neutre 23 s'étend selon une droite Δ23 faisant un angle α supérieur à 90° par rapport à la vitesse linéaire d'avance U du bord d'attaque 21. L'angle α a une valeur moyenne, sur la hauteur du bord 21 comprise entre 110° et 140°, avec de préférence une valeur maximum inférieure à 150°.
La configuration représentée à la figure 2 est celle qui prévaut sur l'essentiel de la hauteur du bord d'attaque 21 entre son point d'attache sur le plafond 3 et son point d'attache 214 sur la ceinture 4.
En d'autres termes, au niveau du bord d'attaque 21, la fibre moyenne 23 orientée du bord de fuite 22 vers le bord d'attaque 21 se prolonge dans la direction de la droite Δ23 qui, par rapport à un rayon R21 de la roue 1 passant par le bord d'attaque 21, est opposée à la vitesse linéaire U de progression du bord 21. A la figure 3, on passe donc du rayon R2ι à la droite Δ23 par une rotation R dans le sens trigonométrique inverse. Si la roue tourne en sens inverse, c'est-à-dire dans le sens trigonométrique inverse, la répartition géométrique mentionnée ci-dessus est inversée. Ainsi, avec une vitesse incidente V du jet d'eau analogue à celle envisagée pour la turbine de l'art antérieur et alors que ce jet est orienté selon la même direction, on peut obtenir, avec une vitesse linéaire U du bord 21 relativement faible, une direction d'incidence du jet d'eau sur le bord d'attaque 21 alignée avec la droite Δ23, comme figuré par la flèche W qui représente, à la figure 3, la vitesse du jet incident dans le réfèrentiel du bord d' attaque .
L'épaisseur e relativement importante de l'aube 2 est telle que, sur sa face d'intrados 24, il existe peu de risque de création de tourbillons. Comme représenté à la figure 4, et compte tenu de son épaisseur e relativement importante, une aube 2 est réalisée avec une peau 26 métallique entourant un volume creux V2, ce qui permet un gain de poids et de matière appréciable par rapport au cas où l'aube 2 serait prévue mono-bloc et pleine. La peau 26 est formée par soudage de deux plaques de tôle 26ι et 262 au niveau de deux zones de soudage 27x et 272.
En variante, des plaques de matière composite, comprenant une résine organique chargée en fibres de renfort, peuvent être utilisées pour constituer la peau 26.
Afin de conférer une bonne stabilité dimensionnelle à l'aube 2, le volume V2 peut être rempli d'une masse 28 de matériau de remplissage, par exemple de mousse de matière plastique.

Claims

REVENDICATIONS
1. Roue de type Francis comprenant un plafond, une ceinture et des aubes s 'étendant entre ledit plafond et ladite ceinture, lesdites aubes définissant entre elles des conduits d'écoulement de liquide, caractérisée en ce que le rapport (e/L) de l'épaisseur maximum (e) de chaque aube sur la longueur développée moyenne (L) de sa fibre moyenne (23) est compris entre 0,1 et 0,2 et en ce que, au niveau du bord d'attaque (21) de chaque aube, ladite fibre moyenne est orienté, sur sensiblement toute la hauteur dudit bord d'attaque, selon une droite (Δ23) faisant un angle (α) supérieur à 90° par rapport à la vitesse linéaire (U) d'avance dudit bord d'attaque.
2. Roue selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit rapport (e/L) est supérieur à 0,13, de préférence à 0,15.
3. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'angle moyen (α) entre la vitesse linéaire (U) de progression d'une aube (2) au niveau de son bord d'attaque (21) et la fibre moyenne (23) de ladite aube au niveau dudit bord d'attaque est compris entre 110° et 140°.
4. Roue selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que chaque aube (2) est formée d'une peau (26) constituant les deux faces latérales (24, 25) de ladite aube et définissant un volume interne creux (V2) de ladite aube.
5. Roue selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite peau (26) est métallique.
6. Roue selon la revendication 4, caractérisée en ce que ladite peau (26) est réalisée en matière composite.
7. . Roue selon l'une des revendications 4 à 6, caractérisée en ce que ladite peau (26) est formée par assemblage (27ι, 272) de deux plaques (26ι, 262) constituant respectivement l'intrados (24) et l'extrados (25) de ladite aube (2) .
8. Roue selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisée en ce que ledit volume (V2) est garni d'un matériau de remplissage (28) .
9. Turbine hydraulique de type Francis équipée d'une roue (1) selon l'une des revendications précédentes.
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