BRPI0403214B1

BRPI0403214B1 - Turbina francis

Info

Publication number: BRPI0403214B1
Application number: BRPI0403214-4B1A
Authority: BR
Inventors: Yasuyuki Enomoto; Toshiaki Suzuki; Sadao Kurosawa; Takanori Nakamura
Original assignee: Toshiba Kk Toshiba Corp
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2004-08-11
Publication date: 2014-10-29
Also published as: CN1580545A; JP2005061293A; NO20043350L; JP4280127B2; NO331960B1; US20050089404A1; BRPI0403214A; US7195459B2; DE102004038639A1; CN100398811C

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "TURBINA FRANCIS".

Referência Cruzada a Pedido Relacionado Esse pedido é baseado e reivindica o benefício da prioridade do pedido de patente japonês N° 2003-291266, depositado em 11 de agosto de 2003, todo o conteúdo do qual é incorporado aqui por referência.

Campo da Invenção Essa invenção refere-se a uma turbina Francis que é utilizada para uma turbina hidráulica ou uma bomba, e em particular, uma turbina Francis possuindo lâminas com um formato aperfeiçoado em uma borda tra- seira.

Antecedentes Uma turbina Francis é utilizada em uma máquina hidráulica, in- cluindo uma turbina/bomba reversível, para geração de energia.

Uma roda móvel de turbina Francis convencional é descrita em USP 4.479.757. Essa roda móvel de turbina Francis convencional inclui lâ- minas cujo formato de entrada (uma borda dianteira) é curvado na direção oposta a uma direção de rotação de uma operação de turbina a partir de um lado de banda para um lado de coroa.

Outra roda móvel de turbina Francis convencional é descrita em USP 6.135.716. Essa roda móvel de turbina Francis convencional inclui lâ- minas cujo formato de entrada (uma borda dianteira) é curvado na direção de rotação de uma operação de turbina a partir de um lado de banda para um lado de coroa. Essa roda móvel de turbina Francis convencional inclui também lâminas cujo formato de saída (uma borda traseira) é curvado na direção de rotação de uma operação de turbina de um lado de coroa para um lado de banda.

Além disso, uma turbina/bomba reversível convencional é des- crita na publicação da patente japonesa (Kokai) N° 8-312517. Uma roda mó- vel dessa turbina/bomba reversível convencional possui lâminas cuja borda traseira é curvada na direção oposta à direção de rotação da operação de turbina a partir de um ponto intermediário da borda traseira para um lado de banda. Além disso, essa roda móvel convencional possui uma borda trasei- ra, cujo perfil projetado em um plano meridiano (um plano incluindo o eixo geométrico de rotação) é alongado na direção de um lado a jusante em um lado de banda para aperfeiçoar a eficiência hidráulica em uma condição de uma operação de carga parcial.

Outra turbina reversível convencional é descrita na publicação de patente japonesa (Kokai) N° 2000-136766. Uma roda móvel dessa bom- ba/turbina reversível convencional possui lâminas cuja borda traseira é cur- vada de forma que a borda traseira seja formada de modo a ser convexa em uma direção de rotação de uma operação de turbina.

Esses formatos de lâmina das turbinas Francis convencionais são desenvolvidos para aperfeiçoar a eficiência hidráulica ou para reduzir as cavitações. Ainda existe espaço para se desenvolver o formato das lâminas que aperfeiçoa a eficiência devido ao desenvolvimento recente da tecnologia em um campo tal como a dinâmica de fluido computacional.

Especialmente, é sabido que o fluxo secundário, que é um fluxo que não ocorre ao longo de uma linha de fluxo, distorce uma distribuição de pressão nas lâminas e resulta em perda de eficiência hidráulica.

Sumário da Invenção De acordo, uma vantagem de um aspecto da presente invenção é fornecer uma turbina Francis com um formato aperfeiçoado de lâminas que possa reduzir um componente de velocidade circunferencial gerado no fluxo a jusante das lâminas em uma condição de operação de carga parcial, ou reduzir o fluxo secundário em torno das lâminas.

Para se alcançar a vantagem acima, um aspecto da presente invenção é fornecer uma turbina Francis que compreenda uma coroa que possa girar em torno de um eixo geométrico de rotação, uma pluralidade de lâminas dispostas circunferencialmente na coroa, cada uma das quais inclu- indo uma extremidade interna como uma borda traseira e uma banda aco- plada coaxialmente com a coroa pelas lâminas, onde uma distância Rc pode ser definida como uma distância entre o eixo geométrico de rotação e uma extremidade pelo lado da coroa da borda traseira, onde uma distância Rb pode ser definida como uma distância entre o eixo geométrico de rotação e uma extremidade pelo lado de banda da borda traseira, onde a distância Rc e a distância Rb satisfazem: Adicionalmente, outro aspecto da presente invenção é fornecer uma roda móvel de turbina Francis que compreenda uma coroa que pode girar em torno de um eixo geométrico de rotação, uma pluralidade de lâmi- nas dispostas circunferencialmente na coroa, cada uma das quais incluindo uma extremidade interna como uma borda traseira e uma banda acoplada coaxialmente com a coroa pelas lâminas, onde um perfil projetado da borda traseira em um plano meridiano, que é um plano incluindo o eixo geométrico de rotação, é formado em um lado interno de uma linha reta que conecta ambas as extremidades da borda traseira no plano meridiano, onde uma distância Rb pode ser definida como uma distância entre o eixo geométrico de rotação e uma extremidade pelo lado de banda da borda traseira, onde a distância máxima s pode ser definida como uma distância máxima entre a linha reta e a borda traseira no plano meridiano, onde a distância Rb e a distância máxima s satisfazem: Características, aspectos e vantagens adicionais da presente invenção se tornarão aparentes a partir da descrição detalhada das modali- dades preferidas que se segue, quando considerada em conjunto com as Figuras em anexo.

Breve Descrição dos Desenhos A Figura 1 é uma vista em corte parcial incluindo um eixo geo- métrico central de uma roda móvel de turbina Francis de acordo com a pri- meira modalidade da invenção; A Figura 2 é uma vista em corte, explodida e esquemática da lâmina da roda móvel 6 ao longo de uma linha de corrente de água com um triângulo de velocidade de fluxo da lâmina da roda móvel de acordo com a primeira modalidade; A Figura 3 é um gráfico de eficiência hidráulica que ilustra a efi- ciência hidráulica contra o valor de Rc/Rb da borda traseira em uma condi- ção de operação de carga parcial de acordo com a primeira modalidade; A Figura 4 é uma vista em corte parcial incluindo um eixo geo- métrico central de uma roda móvel de turbina Francis de acordo com a se- gunda modalidade da invenção;

As Figuras 5A e 5B são diagramas de distribuição de pressão em uma superfície de sucção de uma lâmina de roda móvel da turbina Fran- cis obtida pela análise de fluxo; A Figura 6 é um gráfico de eficiência hidráulica que ilustra a efi- ciência hidráulica contra o valor de s/Rb da borda traseira obtido pela análise de fluxo.

Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas Uma primeira modalidade de acordo com a presente invenção será explicada com referência às Figuras de 1 a 3. A Figura 1 é uma vista em corte parcial incluindo um eixo geo- métrico central de uma roda móvel de turbina Francis de acordo com a pri- meira modalidade. Visto que a roda móvel da turbina Francis gira em tomo do eixo geométrico central (também referido como eixo geométrico de rotação), metade do desenho é omitida visto que possui um perfil simétrico na Figura 1.

Como ilustrado na Figura 1, uma roda móvel de turbina Francis 5 inclui uma coroa 7, uma banda 8, e uma pluralidade de lâminas de roda mó- vel 6. A coroa 7 é conectada a um eixo rotativo (não ilustrado) em um eixo geométrico de rotação 1. As lâminas da roda móvel 6 são dispostas circunfe- rencialmente na coroa 7. Na Figura 1, uma das lâminas da roda móvel 6 é ilustrada como um perfil projetado em um plano meridiano, que é um plano incluindo o eixo geométrico de rotação 1. A banda 8 é conectada às lâminas da roda móvel 6 e é disposta de forma que o eixo geométrico de rotação 1 esteja no centro. Dessa forma, a banda 8 é acoplada coaxialmente com a coroa 7 pelas lâminas da roda móvel 6. Em outras palavras, as lâminas da roda móvel 6 são mantidas circunferencialmente em torno do eixo geométri- co de rotação 1 entre a coroa 7 e a banda 8.

Com essa configuração, a água flui ao longo das lâminas de roda móvel 6 a partir de fora da roda móvel da turbina Francis 5 para o lado interno e aciona a roda móvel da turbina Francis 5 como um todo para uma direção. A água flui para fora descendentemente a partir da roda móvel da turbina Francis 5 depois de acionar a roda móvel da turbina Francis 5.

Uma extremidade externa da lâmina da roda móvel 6 é uma bor- da dianteira, que é um lado de entrada da lâmina 6 visto que a água entra a partir de fora da roda móvel da turbina Francis 5. Da mesma forma, uma ex- tremidade interna da lâmina da roda móvel 6 é uma borda traseira 12, que é um lado de saída da lâmina 6 onde a água flui para fora na direção de um tubo de corrente (não ilustrado) conectado à turbina Francis.

Na borda traseira 12, uma extremidade que conecta à coroa 7 é referida como uma extremidade lateral de coroa 13. Da mesma forma, a ou- tra extremidade da borda traseira 12 que conecta à banda 8 é referida como uma extremidade lateral de banda 14. Nessa modalidade, uma distância Rc, que é uma distância entre o eixo geométrico de rotação 1 e a extremidade de lado de coroa 13, e uma distância Rb, que é uma distância entre o eixo geométrico de rotação 1 e a extremidade do lado de banda 14, possuem uma relação descrita como a seguinte fórmula (a).

Em outras palavras, um formato da borda traseira 12 das lâmi- nas de roda móvel 6 é designado de forma a satisfazer a fórmula (a).

Convencionalmente, esse valor, que significa uma razão da dis- tância Rc para a distância Rb, é de aproximadamente 50%. Nessa modalida- de, o valor Rc/Rb é reduzido de forma que o fluxo da roda móvel da turbina Francis 5 possui um componente de velocidade circunferencial menor, espe- cialmente em uma operação de carga parcial da turbina Francis.

Como mencionado acima, a água da roda móvel de turbina Francis 5 flui na direção do tubo de corrente (não ilustrado). O tubo de cor- rente possui uma função para recuperar a pressão hidrostática da pressão dinâmica da água que flui para fora da roda móvel da turbina Francis 5. O componente de velocidade circunferencial da água que fluiu para fora da roda móvel da turbina Francis 5 gera um fluxo rotativo no tubo de corrente. É desejável não se ter o fluxo rotativo no tubo de corrente visto que o compo- nente de fluxo rotativo não deve ser provavelmente recuperado como pres- são hidrostática no tubo de corrente e pode resultar em perda hidráulica.

Geralmente, o formato das lâminas de roda móvel 6 é otimizado em uma condição de uma taxa de fluxo. Em outras palavras, a lâmina de roda móvel 6 é projetada de forma que o fluxo a partir da roda móvel da tur- bina Francis 5 não tem qualquer componente de velocidade circunferencial quando a turbina Francis é operada na condição da taxa de fluxo. Quando é operada em uma condição de uma operação de carga parcial, a taxa de flu- xo da água é reduzida, apesar de uma velocidade de rotação da roda móvel da turbina Francis 5 não ser alterada. Isso causa um componente de veloci- dade circunferencial no fluxo da roda móvel da turbina Francis 5. E resulta em um componente de fluxo rotativo no tubo de corrente. A Figura 2 é uma vista em corte explodida e esquemática da lâ- mina da roda móvel 6 ao longo de uma linha de corrente de água com um triângulo de velocidade do fluxo da lâmina da roda móvel de acordo com a modalidade em comparação com uma lâmina de roda móvel convencional.

Uma linha tracejada denota a lâmina de roda móvel de acordo com a moda- lidade. Uma linha sólida denota uma lâmina de roda móvel convencional. No triângulo de velocidade ilustrado na Figura 2, U indica a velocidade de rota- ção, que é uma velocidade da borda traseira pela rotação, V indica a veloci- dade de fluxo relativo da água a partir da lâmina da roda móvel 6, e W indica a velocidade absoluta, que é uma composição das velocidades U e V.

Na operação de carga parcial, a taxa de fluxo da água é reduzi- da. Como ilustrado na Figura 2, a velocidade absoluta W possui um compo- nente de velocidade circunferencial Vu1a ou Vu1b, visto que a velocidade de fluxo relativo V é reduzida pela redução da taxa de fluxo. No entanto, o com- primento da lâmina de roda móvel 6 de acordo com a modalidade é maior do que um comprimento convencional devido ao formato da lâmina da roda mó- vel 6 que satisfaz a fórmula (a) mencionada acima. Portanto, uma velocidade periférica (tangencial) U, que é uma velocidade da borda traseira da lâmina de roda móvel 6 por rotação, se torna menor em comparação com a lâmina de roda móvel convencional (ilustrada por linhas sólidas). Dessa forma, o componente de velocidade circunferencial Vu1b, que é gerado pela lâmina de roda móvel 6 de acordo com a modalidade, pode ser menor do que o componente de velocidade circunferencial Vu1a gerado a partir da lâmina de roda móvel convencional. Visto que o componente de velocidade circunfe- rencial Vu1b é reduzido, a perda hidráulica causada pelo componente de fluxo rotativo no tubo de corrente também é reduzida. A Figura 3 é um gráfico da eficiência hidráulica que ilustra a efi- ciência hidráulica contra o valor Rc/Rb da borda traseira em uma condição da operação de carga parcial. A eficiência hidráulica ilustrada na Figura 3 é obtida pela análise do fluxo. Como ilustrado na Figura 3, a eficiência hidráu- lica é aperfeiçoada em uma faixa de valor Rc/Rb ilustrada na fórmula (a).

Isso ocorre porque a modalidade reduz o componente de fluxo rotativo e o componente de fluxo rotativo que ocorreu no tubo de corrente não deve ser provavelmente recuperado como pressão hidrostática e provavelmente se tornará perda. Portanto, o componente de velocidade circunferencial do flu- xo, que gera um componente de fluxo rotativo no tubo de corrente, é reduzi- do, e a eficiência hidráulica é aperfeiçoada na operação de carga parcial.

Por outro lado, quando o valor Rc/Rb é menor, o que significa que a distância Rc se toma menor, a perda por fricção é aumentada visto que o comprimento da lâmina de roda móvel 6 é relativamente alongado.

Dessa forma, o valor Rc/Rb é preferivelmente na faixa determinada pela fórmula (a).

De acordo com a primeira modalidade de acordo com a inven- ção, o valor Rc/Rb que é uma razão da distância Rc do eixo geométrico de rotação 1 para a extremidade de coroa 13 contra a distância Rb do eixo ge- ométrico de rotação 1 para a extremidade de banda 14, é reduzido. Em ou- tras palavras, a posição da lâmina de roda móvel 6 na extremidade de saída é relativamente próxima do eixo geométrico de rotação 1. Portanto, a veloci- dade de rotação da lâmina de roda móvel 6 é relativamente reduzida na saí- da (borda traseira 12). De acordo, o componente de velocidade circunferencial é reduzido em um lado interno da lâmina de roda móvel 6, e dessa forma a perda no tubo de corrente decorrente do aumento do componente de fluxo rotativo é reduzida e a eficiência de turbina como um todo pode ser aperfeiçoada.

Uma segunda modalidade de acordo com a presente invenção será explicada com referência às Figuras 4 a 6. A Figura 4 é uma vista em corte parcial incluindo um eixo geo- métrico central de uma roda móvel de turbina Francis de acordo com a se- gunda modalidade. Visto que a roda móvel da turbina Francis gira em torno do eixo geométrico central (também referido como um eixo geométrico de rotação), metade do desenho é omitida visto que possui um perfil simétrico na Figura 4. Os mesmos símbolos são utilizados para os mesmos elementos ilustrados na Figura 1 e a descrição detalhada desses elementos é omitida.

Como ilustrado na Figura 4, uma roda móvel de turbina Francis 5 inclui uma coroa 7, uma banda 8, e uma pluralidade de lâminas de roda mó- vel 6. A coroa 7 é conectada a um eixo rotativo (não ilustrado) em um eixo geométrico de rotação 1. As lâminas de roda móvel 6 são dispostas circunfe- rencialmente na coroa 7. A banda 8 é conectada às lâminas de roda móvel 6 e é disposta de forma que o eixo geométrico de rotação 1 se torne o centro.

Dessa forma, a banda 8 é acoplada de forma coaxial com a coroa 7 pelas lâminas de roda móvel 6. Igual à Figura 1, a lâmina de roda móvel 6 é ilus- trada como um perfil projetado em um plano meridiano, que é um plano in- cluindo o eixo geométrico de rotação 1 na Figura 4. Uma extremidade exter- na da lâmina de roda móvel 6 é uma borda dianteira, que é um lado de en- trada da água. Uma extremidade interna da lâmina de roda móvel 6 é uma borda traseira 12, que é um lado de saída da água. Na borda traseira 12, uma extremidade que conecta à coroa 7 é referida como uma extremidade de lado de coroa 13. A outra extremidade da borda traseira 12 que conecta à banda 8 é referida como uma extremidade de lado de banda 14. Uma dis- tância Rb é definida como uma distância entre o eixo geométrico de rotação 1 e a extremidade de lado de banda 14. Uma distância máxima s é definida no plano de meridiano como uma distância máxima entre uma linha reta, que conecta a extremidade do lado de coroa 13 e a extremidade do lado de ban- da, e a borda traseira 12.

Nessa modalidade, as lâminas de roda móvel 6 são projetadas de forma que a borda traseira 12 da lâmina de roda móvel 6 seja formada no lado interno da linha reta, que conecta entre a extremidade de coroa 13 e a extremidade de banda 14, no plano meridiano. Adicionalmente, as lâminas de roda móvel 6 são projetadas de forma que o perfil projetado da borda tra- seira 12 das lâminas de roda móvel 6 no plano meridiano satisfaça a fórmula a seguir (b). O valor s/Rb, que é uma razão da distância máxima s contra a distância Rb, é reduzido de forma a reduzir a distorção de pressão perto da entrada da lâmina de roda móvel 6. Isso ajuda a impedir a ocorrência de flu- xo secundário devido à distorção de pressão na lâmina de roda móvel 6. Na roda móvel de turbina Francis convencional, o valor s/Rb está aproximada- mente em uma faixa de 0,1 a 0,3.

As Figuras 5A e 5B são diagramas de distribuição de pressão em uma superfície de sucção da lâmina de roda móvel 6 obtida pela análise de fluxo. A Figura 5A ilustra uma roda móvel de turbina Francis convencio- nal, e a Figura 5B ilustra uma roda móvel de turbina Francis 5 de acordo com essa modalidade. Nas Figuras 5A e 5B, os mesmos símbolos são utili- zados para indicar o mesmo elemento como ilustrado na Figura 4.

Como ilustrado na Figura 5A, a distorção de pressão ocorre perto da entrada da lâmina de roda móvel convencional 6 da roda móvel de turbina Francis 5, onde a razão s/Rb é de cerca de 0,1 a 0,3. Essa distorção de pressão gera um componente de fluxo ao longo de um gradiente de pres- são na lâmina de roda móvel 6. O componente de fluxo pode resultar em fluxo secundário, que é um fluxo que não se dá ao longo da linha de corren- te. A ocorrência do fluxo secundário causa a perda na roda móvel de turbina Francis 5, resultando na redução da eficiência da turbina.

Por outro lado, como ilustrado na Figura 5B, as linhas de pres- são constante na superfície de sucção da lâmina de roda móvel 6 são movi- das para o lado de saída da lâmina da roda móvel 6 com relação à conven- cional. Isso porque a borda traseira 12 é formada à medida que é movida na direção do lado de saída da lâmina de roda móvel 6 em torno da parte cen- tral da borda traseira 12 em comparação com a convencional. Também é ilustrado na Figura 5B que a distorção de pressão é relativamente reduzida em comparação com a convencional, o que é ilustrado na Figura 5A.

Dessa forma, de acordo com essa modalidade, a distorção de pressão na lâmina de roda móvel pode ser reduzida. Portanto, a ocorrência do fluxo secundário pode ser impedida, e a eficiência hidráulica pode ser aperfeiçoada. A Figura 6 é um gráfico de eficiência hidráulica que ilustra a efi- ciência hidráulica contra o valor s/Rb da borda traseira obtido pela análise de fluxo. É ilustrado que a eficiência hidráulica é aperfeiçoada em uma faixa de valor s/Rb em torno de 0 a 0,05. Dessa forma, a eficiência hidráulica da roda móvel da turbina Francis 5 pode ser aperfeiçoada quando a borda traseira 12 da lâmina de roda móvel 6 é formada de modo a satisfazer a fórmula (b) mencionada acima.

Outras modalidades da presente invenção se tornarão aparentes aos versados na técnica a partir da consideração da especificação e prática da invenção descrita aqui. Um perfil de uma borda dianteira, que é descrito em um pedido intitulado "Francis turbine", depositado em 16 de junho de 2004 sob o documento N° 016910/0510, e/ou um perfil de uma borda traseira, que é descrito em um pedido intitulado "Francis turbine", depositado em 16 de junho de 2004 sob o documento N° 016910/0511, pode ser aplicado à modalidade mencionada acima para aperfeiçoamento adicional de desempenho.

Claims

1. Turbina Francis (5) compreendendo: uma coroa (7) que pode girar em torno de um eixo de rotação O); uma pluralidade de lâminas (6) dispostas de forma circunferen- cial na coroa (7), cada uma das quais inclui uma extremidade interna como uma borda traseira (12); e uma banda (8) acoplada de forma coaxial com a coroa (7) pelas lâminas (6); caracterizada pelo fato de que uma distância Rc pode ser defi- nida como uma distância entre o eixo de rotação (1) e uma extremidade (13) pelo lado de coroa (7) da borda traseira (12); em que uma distância Rb pode ser definida como uma distância entre o eixo de rotação (1) e uma extremidade (14) pelo lado de banda (8) da borda traseira (12); em que a distância Rc e a distância Rb satisfazem: (a) 0,2 < Rc/Rb < 0,4.

2. Turbina Francis (5) compreendendo: uma coroa (7) que pode girar em torno de um eixo de rotação O); uma pluralidade de lâminas (6) dispostas circunferencialmente na coroa (7), cada uma das quais incluindo uma extremidade interna como uma borda traseira (12); e uma banda (8) acoplada coaxialmente com a coroa (7) pelas lâminas (6); caracterizada pelo fato de que um perfil projetado da borda traseira (12) em um plano meridiano, que é um plano incluindo o eixo de ro- tação (1), é formado em um lado interno de uma linha reta que conecta am- bas as extremidades da borda traseira (12) no plano meridiano; em que uma distância Rb pode ser definida como uma distância entre o eixo de rotação (1) e uma extremidade (14) pelo lado de banda (8) da borda traseira (12); em que a distância máxima s pode ser definida como uma dis- tância máxima entre a linha reta e a borda traseira (12) do plano meridiano, em que a distância Rb e a distância máxima s satisfazem: (b) 0 < s/Rb < 0,05.