CN100408846C - 法兰西斯型涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种法兰西斯型叶轮以及带有该叶轮的水力机械。本发明的法兰西斯型叶轮包括一顶板、一轮箍、以及一些叶片(2)，叶片在顶板与轮箍之间延伸，叶片之间形成了流体的流道。每一叶片(2)最大厚度(e)与其等分线(23)平均展开长度(L)的比值(e/L)在0.1到0.2之间。根据本发明，在击流缘(21)几乎整个高度的范围内，所述等分线(23)都沿一直线(Δ23)进行定向，该直线与叶片(2)击流缘(21)线速度(U)方向形成一个大于90°的夹角(α)。

Description

法兰西斯型涡轮机
技术领域
[01]本发明涉及一种法兰西斯型叶轮以及装备有该叶轮的涡轮机。
背景技术
[02]法兰西斯型叶轮可装备到不同类型的水力机械中，例如涡轮机、水泵、或水泵水轮机。法兰西斯型叶轮包括一些叶片，这些叶片围绕着一中心转动轴分布，各叶片之间形成了允许水流通过的通道。对于涡轮机的情况而言，这些叶轮叶片的几何形状被限定为使得水流能在叶轮上产生力矩。装备有该叶轮的涡轮机所能输出的功率取决于其几何结构以及叶轮的转动速度，其中的几何结构尤其是指叶轮的直径。
[03]在法兰西斯型水力机械的某些构造形式中，叶轮的直径是规定好的-尤其在对已有机组进行修复的情况下，对于这样的机组，在不完成相当大的土木工程量的情况下，无法改变叶轮的直径。
[04]如图1中一些部分被去除的局部俯视图所示，在常规法兰西斯型涡轮机的情况中，水的入射速度V被分解为涡轮机叶片A的击流缘B的线速度U和水流相对于叶片A的相对速度W。在这些条件下，通常将法兰西斯型涡轮机的叶轮设计成这样：使得每一叶片的等分线(fibremoyenne)M被定向为沿一直线Δ延伸，该直线相对于击流缘B前进线速度U所成的夹角α小于90°。
[05]在由Brekke撰写的论文“为何不消除涡轮机气穴现象”(见国际水电会议的论文集1997年第三卷)中，提出了使法兰西斯型涡轮机叶轮上叶片的击流缘具有不同定向的技术。
[06]但是，尤其是在修复现有机组的情况下，涡轮机的使用条件可能发生了改变，具体而言：可以是通过降低转速和/或提高压头来进行改造，在此情况下，击流缘的定向就不再与入射水流的入射角相适配。在此情况下，会在叶片的下表面和/或上表面附近处产生涡流和/或气穴现象，这将会降低水力机械的效率，且对磨损和撕裂现象具有加强作用。
发明内容
[07]本发明一个特定的目的是通过提出一种新型的法兰西斯型叶轮来克服上述的缺陷，在被限定的新的使用条件下，该叶轮具有令人满意的工作效能。
[08]按照该设计思想，本发明涉及一种法兰西斯型叶轮，其包括一顶板、一轮箍、以及一些叶片，叶片在所述顶板与所述轮箍之间延伸，这些叶片之间形成了流体的流道。该叶轮的特征在于：每一叶片最大厚度与其等分线平均展开长度的比值在0.1到0.2之间，同时，在该击流缘的平面(level)上，在击流缘几乎整个高度的范围内，等分线都沿一直线进行定向，该直线与击流缘的前进线速度方向形成大于90°的夹角(α)。
[09]由于本发明的设计，关于击流缘定向和叶片最大厚度的组合方案使得叶轮能在不产生有害涡流或气穴现象的前提下正常工作。
[10]根据本发明其它有利的方面，该叶轮包括下列的一个或多个特征：
[11]-上述比值大于0.13，且优选地是大于0.15；
[12]-在击流缘的平面上，叶片前进线速度与在所述击流缘平面上该叶片等分线之间夹角的平均值在110°到140°之间；
[13]-每一叶片都是由一型壳(peau)形成的，该型壳构成了叶片的两个侧面，并围限出了叶片的中空空间。这样的结构实现了这样的构想：在叶片质量并不很大、且原材料的成本价格并不很高的前提下，形成了相对较厚的叶片。在此情况下，型壳可以是金属质的，或者是用复合材料制成的。还可将型壳设计成这样：该型壳是通过将两板件组装到一起而形成的，两板件分别构成了叶片的下表面和上表面。根据一个有利的方面，可用一种填料衬填叶片的内部空间。
[14]本发明还涉及一种法兰西斯型水力机械，其包括前述的叶轮。
附图说明
[15]在阅读了下文参照附图对根据本发明原理的法兰西斯型涡轮机叶轮的实施方式所作的描述之后，能更加容易地领会本发明，并清楚地认识到本发明其它的优点，其中，下文的描述仅是作为举例，在附图中：
[16]图1中的局部俯视图表示了普通法兰西斯型涡轮机的情况；
[17]图2是一个部分去除的轴测图，其表示了根据本发明的法兰西斯型涡轮机叶轮；
[18]图3是与图1类似的视图，其表示的是图2中的涡轮机；以及
[19]图4是一个放大的原理性剖面图，表示了图2和图3所示叶轮上叶片。
具体实施方式
[20]图2到图4所示的叶轮1包括一些相同的叶片2，这些叶片围绕叶轮1的中心转动轴线X-X′分布。在叶轮1的上部设置了一个顶板3，而轮箍4则作为叶片2上径向外侧部分的下边界。因而，在每对相邻的叶片2之间形成一流动通道5，这一通道由顶板3和轮箍4限定边界。
[21]标号21指代叶片2的击流缘。22指代叶片的溢流缘。叶片2的等分线23被定义为：在该叶片的每一横截面上，与叶片2下表面24和上表面25距离相等的那条曲线。
[22]L指代该等分线23的平均长度，该平均值被认为是等于等分线两个长度值之和的一半，其中的一个长度值是叶片2在顶板3平面上的长度，另一长度值是叶片2在轮箍4平面上的长度。
[23]e指代叶片2的最大厚度。
[24]叶片2的几何形状被选定为使得比例e/L位于0.1到0.2之间，也就是说，e是长度L的10％到20％。
[25]在比值e/L位于0.13到0.18之间的情况下，执行了决定性的试验。具体来讲，比值e/L约等于0.16的叶轮的工作状况非常令人满意。
[26]另外，叶片2的几何形状被设计成这样：在击流缘21的附近，等分线23沿一直线Δ23延伸，该直线相对于击流缘21前进的线速度U方向形成一个大于90°的夹角α。
[27]在击流缘21的整个高度范围内，该α的平均值在110°到140°之间，优选地是：其最大值小于150°。
[28]图3所示的构造形式是这样的：在击流缘21与顶板3之间连接点到其与轮箍4之间连接点214之间，在击流缘21的几乎所有高度范围内，都采用了相同的构造形式。
[29]换言之，在击流缘21的平面上，从溢流缘22指向击流缘21的等分线23沿直线Δ23延伸，其中的直线相对于叶轮1上经过击流缘21的半径线R21与击流缘21前进线速度U的相逆。因而，在图3中，从半径线R21转向直线Δ23需要在逆三角方向上执行一定的转动R。如果叶轮在反方向上转动-即在该逆三角方向上转动，则上述的几何布局结构就要逆反。因而，对于水流入射速度V与为现有涡轮机设计的入射速度类似的情况，当水流定向在相同的方向上时，在击流缘21的线速度U相对较低的情况下，可能达到这样的效果：喷射到击流缘21上水流的入射方向与直线Δ23对正-例如如图3中的箭头W所示，箭头W在击流缘的参考系中代表入射流的速度。
[30]叶片2相对较大的厚度e使得其下表面24处产生涡流的可能性降低。
[31]如图4所示，考虑到叶片2的厚度e较大，利用一金属型壳26来制造叶片2，该型壳围出了一个中空的空间V2，因而，相比于叶片2被制成实心整体件的情况，能显著地减轻重量，并节省材料。型壳26是通过将两金属薄板261、262沿两焊接区271、272的平面焊接到一起而制成的。
[32]在一种改型中，可利用复合材料(包括纤维增强的有机树脂)板件来制成型壳26。
[33]为了使叶片2具有很好的尺寸稳定性，用一定质量的填充材料28将空间V2填实，其中的填充材料例如是泡沫塑料材料。

Claims (10)

1. 法兰西斯型叶轮，其包括一顶板、一轮箍、以及一些叶片，所述叶片在所述顶板与所述轮箍之间延伸，所述叶片之间形成流体的流道，
其特征在于：每一叶片最大厚度(e)与其等分线(23)平均展开长度(L)的比值(e/L)在0.1到0.2之间；在每个叶片的击流缘(21)处，在所述击流缘的几乎整个高度上，所述等分线都沿一直线(Δ23)进行定向，，所述直线与所述击流缘在所述叶轮的转动方向上的前进线速度(U)形成一个大于90°的夹角(α)。
2. 根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：所述比值(e/L)大于0.13。
3. 根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：在所述击流缘(21)处的所述叶片(2)的前进线速度(U)与在所述击流缘处的所述叶片等分线(23)之间夹角(α)的平均值在110°到140°之间。
4. 根据权利要求1所述的叶轮，其特征在于：每一叶片(2)都是由一型壳(26)形成的，该型壳构成所述叶片的两个侧面(24、25)，并形成所述叶片的中空空间(V2)。
5. 根据权利要求4所述的叶轮，其特征在于：所述型壳(26)是金属质的。
6. 根据权利要求4所述的叶轮，其特征在于：所述型壳(26)是用复合材料制成的。
7. 根据权利要求4到6中任一项所述的叶轮，其特征在于：所述型壳(26)是通过将两板件(261、262)组装(271、272)到一起而形成的，所述两板件分别构成所述叶片(2)的下表面(24)和上表面(25)。
8. 根据权利要求4至6中任一项所述的叶轮，其特征在于：用一种填料(28)衬填所述叶片的内部空间(V2)。
9. 根据权利要求2所述的叶轮，其特征在于：所述比值(e/L)大于0.15。
10. 法兰西斯型水力机械，其装备有根据前述权利要求中任一项所述的叶轮(1)。
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