CN101218429B - 用于水力发电设备的涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于水力发电设备的涡轮机。涡轮机具有带有多个叶片的转子，其中所述转子(沿流动方向)设置在导向装置的前面。转子叶片的节距角设计为可调整的。通过将所述转子(沿流动方向)设置在所述导向装置的前面，水流首先撞击转子并此后才撞击导向装置，从而产生转子的最佳流动条件。

Description

用于水力发电设备的涡轮机
技术领域
本发明涉及一种用于产生电能的水力发电设备的涡轮机以及一种具有相应涡轮机的水力发电设备。
背景技术
已知具有涡轮机的水电站或水力发电设备，涡轮机基本上划分为三级。第一级一般情况下是支撑装置，利用支撑装置涡轮机保持在通道内的位置上。此外设有导向装置，其通常设置在转子前面。最后转子本身连同叶片设置在导向装置后面。因此这种涡轮机的流动在这三级或位置上受到影响。
Jürgen Giesecke和Emil Mosonyi发表在2003年Springer出版社第3期“水力发电设备(Wasserkraftanlagen)”上的文章中介绍了多种水力发电设备。文中例如介绍了一种卡普兰贯流式涡轮机。这种涡轮机具有一个进水道、涡轮和一个抽水软管，它们尽可能处于一条线上并且是水平或者相对于水平线略微倾斜。这样做的优点是，避免流动方向的多重变化并提高能量输出。涡轮机具有支撑叶片、导向叶片以及设置在其后面带有相应叶片的转子。
此外已知直流式涡轮机单元，其中发电机同中心地设置在流动管的外面，从而发电机不处于外壳容器的内部。转子由轮毂、转子叶片以及转子轮缘组成，它们典型地作为焊接结构加工成一个单元。支撑十字架在流动方向上设置在导向叶片以及带有转子叶片的转子的前面。
通过调整叶片使得它们彼此紧贴并因此封闭通道的方式，设置在转子前面的导向装置通过导向叶片或支撑叶片的转动用于切断涡轮机。
在这里还指出下列文献作为现有技术：DE 34 29 288 A1、DE 884930 C、EP 0 622 543 A1、CH 332 959和US 2005/0001432 A1。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种涡轮机以及一种具有相应涡轮机的水力发电设备，其具有简单的结构以及更高的效率。
该目的通过根据本发明的涡轮机以及通过根据本发明的水力发电设备得以实现。
因此本发明提供一种用于产生电能的水力发电设备的涡轮机，它包括：转子，其带有多个涡轮叶片；具有多个支撑叶片的导向装置，所述支撑叶片在通流方向上设置在所述转子的后面并用作具有所述转子的涡轮机的支撑装置，其中，所述转子的涡轮叶片的节距角设计为在-20°至140°的范围内是可调整的，其中，所述涡轮机是上游转子型涡轮机，使得水流沿通流方向撞击所述导向装置之前，首先不受干扰地撞击所述转子，以及其中，所述转子具有球形轮毂，所述球形轮毂具有用于连接所述叶片与所述转子的球形结构，并且所述涡轮叶片通过所述球形结构形状配合地紧贴在所述轮毂上，使得所述转子的涡轮叶片能够以在所述范围内的节距角调整到任意位置，而在所述涡轮叶片与所述轮毂之间不形成间隙。
另外，本发明还提供一种具有上述涡轮机的水力发电设备。
因此提出一种用于水力发电设备的涡轮机。该涡轮机具有带有多个叶片的转子，其中，转子(沿流动方向)设置在导向装置的前面。转子叶片的节距角设计为可调整的。
通过转子(沿流动方向)设置在导向装置的前面，水流首先撞击转子并此后才撞击导向装置，从而产生转子的最佳流动条件。
通过不设置单独的支撑装置，完全消除绕支撑装置的流动损失，从而与现有技术相比获得更高的效率。
依据本发明的一个方面，转子具有用于连接叶片与转子的球形轮毂。轮毂的球形设计可以使涡轮叶片的节距角在大范围内进行调整。
依据本发明的另一方面，涡轮叶片形状配合地紧贴在球形轮毂上，从而可以避免不利的流动条件，因为涡轮叶片连接在轮毂上。
依据本发明的另一方面，涡轮叶片的节距角可以在-20°至140°的角度范围内进行调整，从而在相应选取涡轮叶片节距角的情况下可以制动或加速转子。
本发明的其他方面在下文中说明。
附图说明
下面借助于附图对本发明进行详细说明。其中：
图1a示出依据第一实施例涡轮机的示意图；
图1b示出依据第一实施例涡轮机的另一示意图；
图1c示出依据第一实施例涡轮机的正视图；
图2a示出依据第二实施例涡轮机的示意图；
图2b示出依据第二实施例涡轮机的另一示意图；
图2c示出依据第二实施例涡轮机的正视图；
图3a示出依据第三实施例涡轮机的示意图；
图3b示出依据第三实施例涡轮机的另一示意图；以及
图3c示出依据第三实施例涡轮机的正视图。
具体实施方式
图1a示出依据第一实施例涡轮机的示意图。图1b示出图1a涡轮机的另一示意图。图1c示出图1a和1b涡轮机的正视图。涡轮机具有带有涡轮叶片1的转子4，涡轮叶片与基本上球形结构的轮毂3连接。带有涡轮叶片1的转子4在流动方向上处于导向装置6的前面。因此，该涡轮机是一种上游转子型涡轮机。换句话说，导向装置6处于转子4的后面并同时支撑通道内的转子，从而可以省去附加的支撑装置。导向装置6因此同样具有安装结构。
因此水流在撞击导向装置6之前首先不受干扰地撞击转子4，从而水流可以释放出最大能量。在这种情况下导向装置6通过减少旋涡损耗而设计成保证水的最佳流出，从而防止效率积蓄和随之产生的崩溃。
导向装置具有支撑叶片5。在第一实施例中设有七个支撑叶片5。支撑叶片5优选地设计成不可调整的。
转子4的叶片1可以在-20°至140°，优选-10°至120°的范围内调整，从而可以进行涡轮叶片1的节距调整。因此转子的叶片可以调整到任意位置，而涡轮叶片1与轮毂之间不形成间隙，因为涡轮叶片1由于轮毂的球体形状而形状配合地紧贴在轮毂上。
通过将叶片1调整90°，叶片转动到所谓的“顺桨位置”，也就是说，水从叶片旁流过并经过导向装置6，而不使转子4运动。由此水也可以在涡轮机不工作的情况下通过涡轮通道流出，而且为了制动转子和需要时停住转子时不必关闭通道。
由于转子4叶片的调整以及由于通过将叶片转动到顺桨位置转子4能够停转，所以不需要支撑叶片的可调整性。
图2a至2c示出依据第二实施例的涡轮机。在这种情况下，第二实施例的涡轮机结构基本上与第一实施例的涡轮机结构相应。如在第一实施例中那样，导向装置中设有七个支撑叶片5。但与第一实施例的不同之处在于转子上设有四个叶片。
图3a至3c分别示出依据第三实施例的涡轮机。第三实施例的涡轮机结构基本上与第一和第二实施例的涡轮机结构相应。与第一和第二实施例不同的是在导向装置中设有五个支撑叶片5。
在上述的三种所示的实施方式中，转子4的叶片1设计成可调整的，从而涡轮机通过调整叶片可以关闭。因此无需导向装置叶片的可调整性以中断通道内的水流。
在上述的三种所示的实施方式中，转子与轴10连接，该轴可以再耦联在发电机上，以便将轴10的旋转运动转换成电能。
因此依据本发明的涡轮机是一种上游转子型涡轮机，也就是说，导向装置处于转子4的后面。导向装置既是涡轮机的支撑装置也是涡轮机的安装装置。转子4的叶片1设计成可以-20°至140°的角度调整。转子4的轮毂3基本上构成为球形，使得转子4的叶片1可以任意角度调整，而不存在间隙。水流因此在导入导向装置6内之前首先撞击转子4，从而形成转子4的最佳流动条件。依据本发明的涡轮机因此仅具有两级，也就是转子以及导向装置。
用于水力发电设备的上述涡轮机优选地以无传动机构的方式(通过轴10)与用于产生电流的发电机耦联，也就是说，设有由涡轮机和发电机组成的无传动机构的系统。
与涡轮机耦联的发电机优选地设计为转速可变的。为此，该系统或水力发电设备除了发电机外优选地具有整流器和变频器，其然后可以再连接在电网上。通过提供整流器和变频器，发电机也可以在不同的转速下运行，因为借助于整流器和变频器由发电机产生的电压或功率可以转换到所需的电网频率上。
发电机转速可变的设计可以取得更高的能量输出，因为即使在发电机的转速不足以提供电网所需的频率的情况下，仍可以将发电机产生的功率输出到电网。
如果依据本发明的涡轮机与发电机耦联并应用在水力发电站上，那么可以在上水(水的拦蓄部分)与下水(水坝下面通过涨落行程排放部分)之间产生不同的落差。但由水力发电站产生的功率直接取决于上下水之间的高度差。如果现在使用带有转速固定发电机的涡轮机，那么这种发电机只能在水的下落高度(上下水之间的高度差)允许发电机的所需转速情况下使用。
依据本发明带有后置变频器的转速可变的发电机在转速低于所需转速时、也就是在不同功率情况下也能运行。因此依据本发明的涡轮机在涡轮机的转速降到其他方面要求的转速之下的情况下也能工作。

Claims (8)

1.一种用于产生电能的水力发电设备的涡轮机，包括：
转子(4)，其带有多个涡轮叶片(1)，
具有多个支撑叶片(5)的导向装置(6)，所述支撑叶片在通流方向上设置在所述转子(4)的后面并用作具有所述转子(4)的涡轮机的支撑装置，
其中，所述转子(4)的涡轮叶片(1)的节距角设计为在-20°至140°的范围内是可调整的，
其中，所述涡轮机是上游转子型涡轮机，使得水流沿通流方向撞击所述导向装置(6)之前，首先不受干扰地撞击所述转子(4)，以及
其中，所述转子(4)具有球形轮毂(3)，所述球形轮毂具有用于连接所述涡轮叶片(1)与所述转子(4)的球形结构，并且所述涡轮叶片(1)通过所述球形结构形状配合地紧贴在所述轮毂(3)上，使得所述转子(4)的所述涡轮叶片(1)能够以在所述范围内的节距角调整到任意位置，而在所述涡轮叶片(1)与所述轮毂(3)之间不形成间隙。
2.如权利要求1所述的涡轮机，其中，所述涡轮叶片(1)能够设定在顺桨位置，在所述顺桨位置上所述节距角设置为，使得水从所述涡轮叶片(1)旁流过并穿过所述导向装置(6)，而不导致所述转子(4)运动。
3.如权利要求1或2所述的涡轮机，其中，所述涡轮机沿着通流方向仅具有两级，即所述转子(4)以及所述导向装置(6)。
4.如权利要求1或2所述的涡轮机，其中，所述涡轮机设置在通道中并且所述导向装置(6)用于将所述转子(4)支撑在所述通道内。
5.一种具有至少一个如权利要求1至4中任一项所述的涡轮机的水力发电设备。
6.如权利要求5所述的水力发电设备，还具有用于产生电能的发电机，其中，所述发电机以无传动机构的方式与涡轮机耦联。
7.如权利要求6所述的水力发电设备，其中，所述发电机设计为转速可变。
8.如权利要求6或7所述的水力发电设备，还具有用于将发电机输出电压整流的整流器和变频器，所述变频器一方面与所述整流器耦联并另一方面与电网耦联，其中，所述变频器用于以电网所需的频率向电网输出电力。
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