Турбина фрэнсиса с короткими лопастями и коротким ободом

Группа изобретений относится к гидравлическим турбинам Френсиса, в том числе к лопастям и ободу рабочего колеса её турбины. Рабочее колесо 48 гидравлической турбины содержит обод 62, имеющий отношение длины обода и диаметра обода не более 17%, ступицу 58, лопасти 50 колеса 48, продолжающиеся из ступицы 58 к ободу 62, и соединение между передним краем лопасти 50 и ободом 62, которое предшествует соединению переднего края 52 со ступицей 58 в направлении вращения, задний край 54 лопасти 50, имеющий кривизну между ободом 62 и ступицей 58, изогнутую к краю 52 лопасти 50. Группа изобретений направлена на улучшение характеристик рабочего колеса и уменьшение кавитации в рабочем колесе. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к гидравлическим турбинам, таким как турбины Френсиса. Изобретение в частности относится к лопастям и ободу рабочего колеса турбины Френсиса.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Фиг.1 показывает стандартную гидравлическую турбину 1 Френсиса, выполненную с возможностью преобразования гидравлической энергии в крутящий момент для приведения в действие электрического генератора (не показан). Вода обычно течет через спиральный корпус 2 в направляющий аппарат 13, окружающий вращающееся рабочее колесо 3 турбины 1. Направляющий аппарат 13 может иметь статорные лопатки 132 и направляющие лопатки 130. Вода течет внутрь в рабочее колесо в общем по спирали вдоль горизонтального направления внутри турбины, имеющей вертикальную ось. Угловая скорость воды заставляет рабочее колесо поворачиваться вокруг оси. По мере того как вода течет через рабочее колесо, перемещаемая составляющая воды поворачивается из горизонтального потока в общем в вертикальный вытекающий поток. Из рабочего колеса вода течет в вертикальный конус отсасывающей трубки 5 ниже рабочего колеса.

[0003] В случае турбины, имеющей горизонтальную ось, вода течет внутрь в рабочее колесо в общем по спирали. Угловая скорость воды заставляет рабочее колесо поворачиваться вокруг оси. По мере того как вода течет через рабочее колесо, вода поворачивается в общем в горизонтальный вытекающий поток. Из рабочего колеса вода течет в горизонтальный конус отсасывающей трубки по ходу за рабочим колесом.

[0004] Рабочее колесо 3 турбины Френсиса обычно включает в себя ступицу 6, имеющую поверхность вращения, продолжающуюся по направлению к ободу 8 вдоль оси 11 рабочего колеса 3, и лопасти 7, продолжающиеся из поверхности вращения ступицы 6 к кольцевому ободу 8. Каждая лопасть 7 имеет передний край и задний край. Концы этих краев соединены со ступицей 6 и ободом 8. Рабочее колесо 3 может быть расположено выше нижнего кольца 22 в турбине.

[0005] Вода входит в рабочее колесо 3, течет вокруг передних краев лопастей, течет между лопастями и проходит по задним краям лопастей, затем течет в отсасывающую трубку 5.

[0006] Скорость воды в рабочем колесе в общем выше вблизи обода, чем вблизи ступицы. Высокоскоростной поток воды приводит к относительно высокому гидравлическому трению на и вблизи обода, что снижает КПД турбины, поскольку часть энергии теряется на трение. Высокая скорость воды также вызывает низкое статическое давление в рабочем колесе. Низкое давление может вызывать образование кавитационных пузырьков, которые могут повредить поверхности лопастей, обода и ступицы.

[0007] В области водяных турбин обод рабочего колеса также называют корпусом или кольцом. Ступицу также называют втулкой. Передний край лопасти также называют входной кромкой или приточным краем. Задний край лопасти также называют выходной кромкой или отточным краем лопасти рабочего колеса. Это описание может использовать термины взаимозаменяемо по отношению к различным компонентам рабочего колеса.

[0008] Фиг.2 и 3 виды сбоку и снизу, соответственно, примера стандартного рабочего колеса 9 турбины Френсиса, которое вращается в направлении (R) вокруг оси 11 вращения рабочего колеса 9. Рабочее колесо 9 включает в себя кольцевой множество лопастей 10 рабочего колеса, кольцевой обод 12 и ступицу 14. Рабочее колесо 9 вращается по часовой стрелке, если смотреть со стороны ступицы 14. Ступица 14 имеет поверхность вращения, которая обычно обращена к ободу 12 вдоль оси 11 вращения. Отверстие 23 в ступице 14 соосно с осью 11 и может принимать вал для генератора.

[0009] Фиг.2 показывает концы 18 лопастей 10, наложенные на обод 12 для целей иллюстрации. Концы лопастей 10 присоединены, например, приварены, к ободу 12, но не обязательно продолжаются через обод 12. Концы 18 лопастей 10 могут быть не видны через обод 12 в практическом исполнении рабочего колеса 9.

[0010] Лопасти 10 расположены кольцевым множеством между ободом 12 и ступицей 14 рабочего колеса 9. Лопасти 10 направляют воду из спирального корпуса 2 так, чтобы течь между ободом и ступицей и в отсасывающую трубку 5, как показано на Фиг.1.

[0011] Каждая лопасть 10 имеет аналогичную форму, продолжающуюся в виде кривой от переднего края 16 до заднего края 20. Передний край 16 расположен на впуске в рабочее колесо 9, и задний край 20 расположен на выпуске. Псевдо линии 17, 19 тока показаны на изображении лопастей 10, чтобы показать форму лопастей 10. Сплошной псевдо линией 17 тока показаны на стороне разрежения лопастей 10, и пунктирные псевдо линии 19 тока показаны на стороне нагнетания лопастей 10. Стороны разрежения лопастей 10 обращены по направлению (R) вращения рабочего колеса, и стороны нагнетания обращены против направления (R) вращения. Каждая псевдо линия 17, 19 тока показана на поверхности лопасти 10 от переднего края 16 до заднего края 20.

[0012] Каждая лопасть 10 имеет четыре угла P, Q, S и T. Два угла P и S конца 21 лопасти упираются в ступицу 14, и два угла Q и T упираются в обод 12. Углы P, S упираются во внешнюю поверхность ступицы 14. Угол P находится вблизи расположенной ближней по ходу области ступицы 14, и угол S - в расположенной дальней по ходу области 25 ступицы 14. Углы Q и T конца 18 лопасти упираются в обод 12, причем угол Q расположен вблизи первого края обода 12, и угол T расположен вблизи второго края обода 12.

[0013] Внешняя поверхность ступицы 14 поддерживает концы 21 лопастей 10. Концы 21 могут быть присоединены к ступице 14, например, сваркой. Ступица 14 может иметь внутреннее отверстие для приема приводного вала. Участок 24 внешней поверхности ступицы 14 продолжается за углы S лопастей 10 в направлении по потоку. Участок 24 ступицы 14 обращен к отсасывающей трубке 5.

[0014] Обод 12 является кольцевой конструкцией, поддерживающей концы 18 лопастей 10. Обод 12 может иметь кривизну, которая изгибается к оси 11 рабочего колеса 3 турбины. Кривизна соответствует краям 18 лопастей 10. Обод имеет длину (L) и диаметр (D). Длина (L) является расстоянием, измеренным между нижней частью 15 направляющего аппарата 13 и задним краем T на ободе 8. Диаметр (D) является выходным диаметром рабочего колеса 3, который является диаметром обода 12 на стыке с задним краем T. Нормированная длина обода, называемая ʺотношением длины ободаʺ в контексте данного описания, может характеризоваться отношением (L/D) ее длины к ее наименьшему диаметру.

[0015] Стандартные рабочие колеса имеют отношение длины обода по меньшей мере 17% (0,17). Они называются длинные рабочие колеса в контексте данной заявки.

[0016] В контексте данной заявки, рабочие колеса, называемые короткими рабочими колесами, имеют отношение длины обода менее 17% (0,17). Короткие рабочие колеса исследовались в прошлом, но были подвержены сильным кавитационным повреждениям, которые повреждали рабочее колесо и снижали его гидравлический КПД. В рабочих колесах с длинным ободом кавитация обычно меньше с длинными лопастями. Стандартный подход заключается в том, что обода и лопасти должны быть длинными, чтобы избежать кавитации.

[0017] Увеличенная длина лопастей и обода в длинном рабочем колесе увеличивает массу рабочего колеса. Гидравлический КПД длинного рабочего колеса ухудшается вследствие увеличения потерь на гидравлическое трение вследствие увеличения площадей смоченных поверхностей более длинных лопастей и обода. Меры по уменьшению кавитации в рабочем колесе и иное улучшение характеристик рабочего колеса раскрыты в патентах США 6 135 716 и 4 479 757. Согласно патенту США 6135716 А раскрыто рабочее колесо для типа гидравлической турбины Френсиса, содержащее обод, ступицу и количество лопастей, имеющих криволинейную форму и прикрепленных к ободу и ступице. Каждая лопасть имеет входной край и выходной край. Лопасти отличаются тем, что в направление вращения турбины точка соединения входного края каждой лопасти с ободом предшествует точке соединения входного края лопасти со ступицей, и точка соединения выходного края каждой лопасти со ступицей предшествует точке соединения выходного края лопасти с ободом.

Согласно патенту США 8506244 B2 раскрыто турбинное устройство, погружаемое в поток текучей среды из окружающий среды, такой как вода, чтобы захватывать часть потока текучей среды и извлекать из нее мощность перед возвращением обратно в поток окружающей среды, который может быть потоком воды приливного течения океана или относительным потоком воды за лодкой. Устройство включает в себя сужающийся входной канал с впускным отверстием, обращенным к потоку окружающей среды, спиральный корпус, который перенаправляет текучую среду в спиральный поток, ротор, расположенный соосно на оси спирали, и выпускной канал, который расходится и искривлен от впуска выпускного канала, соосного с осью спирали, до выпуска выпускного канала, который открыт назад в поток окружающей среды. Ротор имеет периферийный впуск ротора по окружности его первой ступени и осевой выпуск ротора на одном его осевом конце и расположен так, что ось ротора совпадает с осью спирали, ориентированной поперек потока окружающей среды. Ротор перенаправляет текучую среду из спирального тангенциального и радиального направления на впуске ротора в осевом направлении на выпуске ротора, в то же время извлекая из него мощность. Каналы потока текучей среды предназначены для достижения плавного ускорения, перенаправления, передачи мощности и замедления потока, предпочтительно без турбулентности и кавитации, и предпочтительно с использованием линий тока для разработки контуров поверхности сложных компонентов канала. Остается потребность в улучшении характеристик рабочего колеса и уменьшении кавитации в рабочем колесе.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ

[0018] Предложено короткое рабочее колесо, имеющее короткие лопасти с предшествующими передними краями. Короткое рабочее колесо имеет меньшую площадь смоченных поверхностей по сравнению с длинным рабочим колесом, что приводит к меньшему гидравлическому трению и улучшенным характеристикам. Короткое рабочее колесо может иметь обод или может быть без обода (без корпуса).

[0019] В предшествующем переднем краю, передний край соединяется с ободом до того места, где передний край соединяется со ступицей в направлении вращения рабочего колеса. Предшествующий передний край также может называться инвертированным передним краем.

[0020] Предшествующий передний край смещает нагрузку от давления на лопасти по направлению к ступице и от обода. Под нагрузкой понимается гидравлическое усилие, приложенное в различных местах на поверхности лопасти в результате разности давлений между стороной нагнетания и стороной разрежения. Вследствие смещения нагрузки, лопасти нагружены более равномерно между ободом и ступицей.

[0021] Смещение нагрузки на лопасти от обода уменьшает риск кавитации на ободе и поверхностях лопастей вблизи обода. Уменьшая риск кавитации, короткая лопасть становится практичной. Другие параметры лопасти, такие как толщина лопасти и распределение углов лопасти, могут быть выбраны для уменьшения риска кавитации и риска повреждения рабочего колеса вследствие кавитации.

[0022] Комбинация коротких лопастей, имеющих предшествующие передние края, приводит к короткому рабочему колесу с уменьшенным гидравлическим трением по сравнению со стандартным длинным рабочим колесом. Риск кавитации в коротком рабочем колесе лежит в пределах допустимых уровней. Короткое рабочее колесо имеет меньший вес, чем стандартное длинное рабочее колесо, что приводит к снижению затрат на материалы и затрат на изготовление рабочего колеса.

[0023] Задние края короткой лопасти могут быть инвертированы. Инвертированный задний край имеет кривизну, которая изгибается к переднему краю лопасти. Кривизна продолжается вдоль всей длины заднего края от обода до ступицы рабочего колеса. Инвертированный задний край уменьшает длину лопасти вдоль псевдо линий 17, 19 тока, в особенности в средних областях лопасти. Уменьшение длины лопастей уменьшает площадь смоченных поверхностей лопастей и таким образом уменьшает гидравлическое трение.

[0024] Короткое рабочее колесо может быть использовано для замены существующего рабочего колеса, в особенности там, где доступно небольшое пространство в существующей гидравлической турбине, в которое необходимо установить рабочее колесо. Короткое рабочее колесо также позволяет новым конструкциям турбин в сборе иметь уменьшенный размер и снизить затраты на материалы и изготовление, по сравнению с размерами и затратами на изготовление стандартной турбины.

[0025] Короткое рабочее колесо может включать в себя обод, ступицу, множество коротких лопастей, имеющих предшествующие передние края, и отношение длины обода менее 17% (0,17). Дополнительно, задние края лопастей могут быть инвертированы, то есть, изогнуты по направлению к переднему краю между ступицей и ободом.

[0026] Рабочее колесо турбины без обода (без корпуса) может включать в себя ступицу, множество коротких лопастей, имеющих предшествующие передние края, и внешнюю окружность рабочего колеса, имеющую отношение длины окружности менее 17% (0,17). Кроме того, задние края лопастей также могут быть инвертированы.

В соответствие с одним аспектом предложено рабочее колесо гидравлической турбины, содержащее:

обод, имеющий отношение длины обода и диаметра обода не более 17% (0,17);

ступицу;

лопасти рабочего колеса, продолжающиеся из ступицы к ободу; и

соединение между передним краем лопасти рабочего колеса и ободом, которое предшествует соединению переднего края со ступицей в направлении вращения;

задний край лопасти рабочего колеса, имеющий кривизну между ободом и ступицей, изогнутую к переднему краю лопасти рабочего колеса.

В одном из вариантов предложено рабочее колесо турбины, в котором отношение длины обода является отношением длины обода вдоль направления, параллельного оси вращения рабочего колеса, и диаметра обода в месте соединения с задним краем.

В одном из вариантов предложено рабочее колесо турбины, в котором передний край имеет отрицательный угол откидки.

В одном из вариантов предложено рабочее колесо турбины, в котором отношение длины обода составляет менее 15% (0,15).

В соответствие с другим аспектом предложено рабочее колесо турбины, содержащее:

внешнюю окружность рабочего колеса, имеющую отношение длины окружности обода и диаметра обода не более 17% (0,17);

ступицу;

лопасти рабочего колеса, продолжающиеся из ступицы к внешней окружности рабочего колеса; и

угол переднего края каждой из лопастей рабочего колеса на внешней окружности рабочего колеса, при этом угол в направлении вращения расположен до угла, где передний край соединяется со ступицей;

задний край лопасти рабочего колеса, имеющий кривизну между внешней окружностью рабочего колеса и ступицей, изогнутую к переднему краю лопасти рабочего колеса.

В одном из вариантов предложено рабочее колесо, в котором отношение длины окружности является отношением высоты края лопасти рабочего колеса на внешней окружности вдоль направления, параллельного оси вращения рабочего колеса, и диаметра внешней окружности рабочего колеса.

В одном из вариантов предложено рабочее колесо, в котором передний край имеет отрицательный угол откидки.

В одном из вариантов предложено рабочее колесо турбины, в котором отношение длины окружности составляет менее 15% (0,15).

В одном из вариантов предложено рабочее колесо турбины, дополнительно содержащее кольцевой обод, прикрепленный к самому наружному периферическому краю лопастей.

В соответствие с ещё другим аспектом предложена гидравлическая турбина, содержащая:

рабочее колесо, включающее в себя обод, имеющий отношение длины обода и окружности обода не более 17% (0,17), ступицу, лопасти рабочего колеса, продолжающиеся от ступицы к ободу, и соединение между передним краем лопасти рабочего колеса и ободом, которое предшествует соединению между передним краем со ступицей в направлении вращения рабочего колеса;

спиральный корпус, расположенный по ходу перед рабочим колесом;

направляющий аппарат, расположенный между рабочим колесом и спиральным корпусом; и

отсасывающую трубку, расположенную по ходу за рабочим колесом;

задний край лопасти рабочего колеса, имеющий кривизну между ободом и ступицей, изогнутую к переднему краю лопасти рабочего колеса.

В одном из вариантов предложена гидравлическая турбина, в которой отношение длины обода является отношением длины обода, измеренной от нижней части направляющего аппарата до точки крепления заднего края к ободу вдоль направления, параллельного оси вращения рабочего колеса, и диаметра обода в месте соединения с задним краем.

В одном из вариантов предложена гидравлическая турбина, в которой передний край имеет отрицательный угол откидки.

В одном из вариантов предложена гидравлическая турбина, в которой отношение длины обода составляет менее 15% (0,15).

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0027] Фиг.1 вид сбоку, показанный в частичном сечении, стандартной вертикальной турбины Френсиса, имеющей направляющий аппарат со статорными лопатками и направляющими лопатками, рабочее колесо, отсасывающую трубку и спиральный корпус.

[0028] Фиг.2 вид сбоку схематичного изображения стандартного рабочего колеса для турбины Френсиса.

[0029] Фиг.3 вид снизу стандартного рабочего колеса.

[0030] Фиг.4 вид сбоку схематичного изображения короткого рабочего колеса, имеющего короткий обод и короткие лопасти.

[0031] Фиг.5 вид снизу короткого рабочего колеса, показанного на фиг.4.

[0032] Фиг.6 вид сверху рабочего колеса, показанного на фиг.4, в котором ступица показана пунктирными линиями для целей изображения лопастей.

[0033] Фиг.7 общий вид лопасти короткого рабочего колеса, показывающий передний краю, на котором псевдо линии тока показаны на поверхности лопасти.

[0034] Фиг.8 общий вид лопасти рабочего колеса, показанной на фиг.7, и обеспечивает вид лопасти сверху вниз.

[0035] Фиг.9 общий вид лопасти рабочего колеса, показанной на фиг.7, и обеспечивает вид заднего края.

[0036] Фиг.10 меридиональный вид лопасти короткого рабочего колеса.

[0037] Фиг.11 общий вид сбоку и снизу другого варианта выполнения короткого рабочего колеса.

[0038] Фиг.12 вид в сечении короткого рабочего колеса, показанного на фиг11.

[0039] Фиг.13 общий вид сбоку и снизу другого варианта выполнения короткого рабочего колеса, имеющего инвертированный задний краю.

[0040] Фиг.14 вид в сечении короткого рабочего колеса, показанного на фиг.13.

[0041] Фиг.15 график, сравнивающий гидравлические КПД короткого рабочего колеса и стандартного длинного рабочего колеса.

ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0042] Фиг.4 и 5 изображают короткое рабочее колесо 26 для турбины Френсиса с лопастями 30, имеющими предшествующий передний край. Короткое рабочее колесо 26 вращается в направлении (R) вокруг оси 28. Отношение (L/D) длины обода составляет менее 17% (0,17) и может составлять менее 15% (0,15) и лежать в диапазоне от 11% до 7% (от 0,11 до 0,07).

[0043] Короткое рабочее колесо 26 включает в себя кольцевое множество лопастей 30 рабочего колеса, кольцевой обод 32 и ступицу 34. Направление (R) является направлением по часовой стрелке, если смотреть на рабочее колесо 26 со стороны ступицы 34. Ступица 34 может иметь поверхность вращения, продолжающуюся по направлению к ободу 32 вдоль оси 28 рабочего колеса 26. Каждая лопасть 30 включает в себя передний край 36 и задний край 40.

[0044] Передние края 36 расположены по ходу перед впуском в рабочее колесо 26 и по ходу за спиральным корпусом и направляющим аппаратом для воды или другой гидравлической текучей среды. Задние края 40 расположены на дальнем по ходу конце рабочего колеса 26 и обращены к отсасывающей трубке, которая может быть расположена по ходу за рабочим колесом 26. Сплошные псевдо линии 17 тока показаны на стороне разрежения изображения лопасти, и пунктирные псевдо линии 19 тока показаны на стороне нагнетания изображения лопасти. Псевдо линии 17, 19 тока приведены для целей иллюстрации и не обозначают ни структуру на поверхностях лопастей, ни представляют фактические линии тока.

[0045] Первый край 33 каждой лопасти 30 прикреплен к внешней поверхности ступицы 34, и второй край 38 прикреплен к внутренней поверхности обода 32. Углы P, S первого края 33 расположены в ближней по ходу области и дальней по ходу области внешней поверхности ступицы соответственно. Углы Q, T расположены в ближней по ходу и дальней по ходу областях обода 32 соответственно.

[0046] Длина L обода короче, по сравнению со стандартными ободами. Чтобы расположиться на более короткой длине L обода, длина лопасти была укорочена вдоль края 38. Сравнение фиг.2 и 4 показывает, что длина L обода и длина края 38 лопастей 30 короткого рабочего колеса 26 являются более короткими, чем у лопастей 10 длинного рабочего колеса 9.

[0047] Кривизна лопасти 30, как показано пунктирными псевдо линиями 19 тока и сплошными псевдо линиями 17 тока, имеет пропорции для расположения короткого края 38 на коротком ободе 32.

[0048] Фиг.6 изображает предшествующий передний край 36 каждой лопасти 30. В предшествующем переднем крае 36, угол Q края на ободе 32 расположен перед углом P ступицы 34 в направлении R вращения рабочего колеса. Угол Θ откидки является углом между углами Q и P переднего края 36 лопасти 30, который измерен от оси 28 короткого рабочего колеса 26 по направлению к углам Q и P. Угол откидки положителен, когда угол P предшествует углу Q в направлении R вращения. Отрицательный угол откидки (Θ < 0°), как показано на фиг.6, характеризует предшествующий передний край.

[0049] Соединение Q предшествующего переднего края смещает гидравлическую нагрузку на лопасти от обода 32 и к ступице 34. Это смещение снижает гидравлическую нагрузку вблизи обода 32 и таким образом снижает риск кавитации на ободе 32 и участках лопастей 30 вблизи обода 34. Смещение гидравлической нагрузки к ступице 34 также обеспечивает более равномерную нагрузку вдоль протяженности лопасти 30.

[0050] Фиг.7, 8 и 9 виды лопасти 30 в коротком рабочем колесе 26 с различных точек. Лопасть 30 кажется ʺV-образнойʺ на виде, показанном нафиг.7, под углом к стороне разрежения лопасти 30. Край 33 лопасти 30 прикреплен к ступице, и край 38 прикреплен к ободу. Углы P, Q, S и T лопасти соответствуют углам, показанным на фиг.4, 5 и 6.

[0051] Фиг.10 меридиональный вид короткого рабочего колеса для изображения переднего края 36 и заднего края 40 лопасти 30, показанного на фиг.7-9. Край 33 лопасти 30 показан упирающимся в линию 42 профиля, представляющую собой внешнюю поверхность ступицы 34. Противоположный край 38 лопасти 30 упирается в линию 44 профиля внутренней поверхности обода. Вертикальная ось (Z) графика представляет собой ось вращения, и горизонтальный радиус (r) представляет собой расстояние от оси 28 рабочего колеса до соединения заднего края с ободом (точка T).

[0052] На инвертированность заднего края 40 на короткой лопасти 30 указывает кривизна заднего края 40 по сравнению с прямой линией 46 между углами S и T заднего края. Задний край 40 имеет форму, которая изогнута по направлению к переднему краю 36 лопасти 30. В отличие от инвертированного заднего края, стандартный задний край 20 (показанный пунктирными линиями на фиг.10) изгибается от переднего края 36 и таким образом выгибается от прямой линии 46.

[0053] Инвертированный задний край 40 уменьшает длину лопасти 30, особенно в средней области (М) лопасти. Уменьшение длины лопасти 30 уменьшает площадь смоченной поверхности лопасти 30, и таким образом уменьшает гидравлическое трение между лопастями 30 и водой. Уменьшение трения увеличивает КПД турбины Френсиса при преобразовании энергии воды в крутящий момент, передаваемый на вал.

[0054] Общая площадь смоченной поверхности короткого рабочего колеса может быть уменьшена по сравнению с площадью смоченной поверхности стандартного длинного рабочего колеса на пятнадцать процентов (15%) или более. Уменьшение площади смоченной поверхности короткого рабочего колеса является следствием более короткого обода и более коротких лопастей по сравнению со стандартным длинным рабочим колесом. Уменьшение площади смоченной поверхности возрастает еще больше, например, на более чем двадцать процентов (20%), посредством инвертирования задних краев лопастей на коротком рабочем колесе.

[0055] Гидравлическое поверхностное трение может быть определено количественно путем измерения сдвигающего напряжения на смоченной поверхности рабочего колеса. Сдвигающее напряжение на поверхности является результатом трения между водой, текущей по смоченной поверхности рабочего колеса, и поверхностью рабочего колеса. Уменьшение площади поверхности уменьшает площадь, на которой сдвигающее напряжение создается водой для создания гидравлического трения. Уменьшение площади смоченной поверхности короткого рабочего колеса может уменьшить гидравлическое сдвигающее напряжение на поверхности на тридцать процентов (30%) или более по сравнению с длинным рабочим колесом. Посредством уменьшения величины гидравлического сдвигающего напряжения, потери энергии на трение уменьшаются и, таким образом, больше энергии может быть преобразовано в крутящий момент для приведения в действие вала рабочего колеса.

[0056] Фиг.11 и 12 показывают другой вариант выполнения короткого рабочего колеса 48. Рабочее колесо 48 выполнено с возможностью приема вала 60. Каждая лопасть 50 имеет предшествующий передний край 52 с углами P и Q. Задний край 54 каждой лопасти 50 показан имеющим кривизну, которая изгибается от переднего края 52. Расположенный дальний по ходу конец ступицы 58 перпендикулярен оси 28 рабочего колеса 48. Обод 62 может иметь внешнюю цилиндрическую поверхность, которая имеет ступенчатую форму, чтобы соответствовать неподвижному нижнему кольцу в турбине Френсиса.

[0057] Фиг.13 и 14 показывают другой вариант выполнения короткого рабочего колеса 64, который аналогичен короткому рабочему колесу 48, показанному на фиг.11 и 12, за исключением заднего края 66. Задний край 66 короткого рабочего колеса 64 инвертирован, на что указывает изогнутый край между краями T и S заднего края 66, который изгибается по направлению к переднему краю 52.

[0058] Фиг.15 графическое сравнение гидравлического КПД стандартного длинного рабочего колеса с гидравлическим КПД короткого рабочего колеса, такого как рабочие колеса 26, 48 и 64. КПД по оси Y нормирован к максимальному КПД стандартного длинного рабочего колеса. Расход по оси X нормирован к расходу при максимальном КПД. Производительность 68 короткого рабочего колеса стабильно выше производительности 70 стандартного длинного рабочего колеса. КПД определяется отношением энергии, которая преобразуется в крутящий момент на валу, к энергии, поступившей в гидравлическую систему на впуске спирального корпуса, минус энергия, покидающая гидравлическую систему на выпуске отсасывающей трубки.

[0059] Короткое рабочее колесо также может использоваться в горизонтальной турбине. Короткое рабочее колесо для горизонтальной турбины взамен будет иметь горизонтальную ось, в качестве оси рабочего колеса. Короткое рабочее колесо может работать так, что преимущества короткого рабочего колеса в вертикальной турбине также будут видны в горизонтальной турбине.

[0060] Кроме того, рабочие колеса без обода (без корпуса) могут иметь короткую лопасть и предшествующий передний край. Рабочие колеса без обода могут быть использованы в турбинах Френсиса и Каплана. Определение предшествующего переднего края рабочего колеса без обода может состоять в наличии переднего края, расположенного на внешней окружности рабочего колеса до того места, где передний край соединяется со ступицей в направлении вращения рабочего колеса без обода.

[0061] Короткое рабочее колесо без обода имеет отношение длины окружности рабочего колеса менее 17% (0,17). Отношение (L/D) длины окружности является отношением между длиной (L), которая является расстоянием, измеренным между нижним направляющим аппаратом рабочего колеса и точкой заднего края на внешней окружности рабочего колеса, и диаметром (D), который является выходным диаметром рабочего колеса без обода, который является диаметром рабочего колеса по внешней окружности рабочего колеса.

[0062] Внешние периферические края коротких лопастей на рабочем колесе без обода могут быть выполнены с возможностью обращения к поверхности нижнего кольца неподвижного корпуса, и лопасти могут быть выполнены с возможностью препятствования поступлению воды между периферическим краем лопасти и поверхностью неподвижного корпуса. Например, внешние периферические края коротких лопастей могут образовывать уплотнение с неподвижной поверхностью. Короткое рабочее колесо без обода имеет аналогичные преимущества, как и короткое рабочее колесо с ободом.

[0063] Преимущества короткого рабочего колеса в турбине могут включать в себя, и не ограничены этим, обеспечение более легкого рабочего колеса, уменьшение гидравлического трения, увеличение гидравлического КПД и поддержание допустимой кавитации.

[0064] Несмотря на то, что изобретение было описано применительно к тому, что в настоящее время считается наиболее практичным и предпочтительным вариантом выполнения, ясно, что изобретение не ограничено раскрытым вариантом выполнения, а напротив, охватывает различные модификации и эквивалентные конструкции, входящие в сущность и объем прилагаемой формулы изобретения.

1. Рабочее колесо гидравлической турбины, содержащее:

обод, имеющий отношение длины обода и диаметра обода не более 17% (0,17);

ступицу;

лопасти рабочего колеса, продолжающиеся из ступицы к ободу; и

соединение между передним краем лопасти рабочего колеса и ободом, которое предшествует соединению переднего края со ступицей в направлении вращения;

задний край лопасти рабочего колеса, имеющий кривизну между ободом и ступицей, изогнутую к переднему краю лопасти рабочего колеса.

2. Рабочее колесо турбины по п. 1, в котором отношение длины обода является отношением длины обода вдоль направления, параллельного оси вращения рабочего колеса, и диаметра обода в месте соединения с задним краем.

3. Рабочее колесо турбины по п. 1 или 2, в котором передний край имеет отрицательный угол откидки.

4. Рабочее колесо турбины по любому из пп. 1-3, в котором отношение длины обода и диаметра обода составляет менее 15% (0,15).

5. Рабочее колесо турбины, содержащее:

внешнюю окружность рабочего колеса, имеющую отношение длины окружности обода и диаметра обода не более 17% (0,17);

ступицу;

лопасти рабочего колеса, продолжающиеся из ступицы к внешней окружности рабочего колеса; и

угол переднего края каждой из лопастей рабочего колеса на внешней окружности рабочего колеса, при этом угол в направлении вращения расположен до угла, где передний край соединяется со ступицей;

задний край лопасти рабочего колеса, имеющий кривизну между внешней окружностью рабочего колеса и ступицей, изогнутую к переднему краю лопасти рабочего колеса.

6. Рабочее колесо по п. 5, в котором отношение длины окружности является отношением высоты края лопасти рабочего колеса на внешней окружности вдоль направления, параллельного оси вращения рабочего колеса, и диаметра внешней окружности рабочего колеса.

7. Рабочее колесо по п. 5 или 6, в котором передний край имеет отрицательный угол откидки.

8. Рабочее колесо турбины по любому из пп. 5-7, в котором отношение длины окружности обода и диаметра обода составляет менее 15% (0,15).

9. Рабочее колесо турбины по любому из пп. 5-8, дополнительно содержащее кольцевой обод, прикрепленный к самому наружному периферическому краю лопастей.

10. Гидравлическая турбина, содержащая:

рабочее колесо, включающее в себя обод, имеющий отношение длины обода и диаметра обода не более 17% (0,17), ступицу, лопасти рабочего колеса, продолжающиеся от ступицы к ободу, и соединение между передним краем лопасти рабочего колеса и ободом, которое предшествует соединению между передним краем со ступицей в направлении вращения рабочего колеса;

спиральный корпус, расположенный по ходу перед рабочим колесом;

направляющий аппарат, расположенный между рабочим колесом и спиральным корпусом; и

отсасывающую трубку, расположенную по ходу за рабочим колесом;

задний край лопасти рабочего колеса, имеющий кривизну между ободом и ступицей, изогнутую к переднему краю лопасти рабочего колеса.

11. Гидравлическая турбина по п. 10, в которой отношение длины обода является отношением длины обода, измеренной от нижней части направляющего аппарата до точки крепления заднего края к ободу вдоль направления, параллельного оси вращения рабочего колеса, и диаметра обода в месте соединения с задним краем.

12. Гидравлическая турбина по п. 10 или 11, в которой передний край имеет отрицательный угол откидки.

13. Гидравлическая турбина по любому из пп. 10-12, в которой отношение длины обода и диаметра обода составляет менее 15% (0,15).