CN101555860B - 轴流式水力机械的叶轮叶片 - Google Patents

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Abstract

提供一种轴流式水力机械的叶轮叶片，通过使叶轮叶片的形状合理化能够得到与整流片相同的效果，而且使叶轮叶片出口的流速分布合理化，从而提高性能。叶轮叶片的径向剖面图形的弧线中的尖侧的部分形成为向叶轮叶片的表面凸出的曲线，并且在叶轮叶片的表面的曲率半径为ρp，背面的曲率半径为ρs时，ρs＜ρp。由此，抑制偏向尖端的液流，使回转方向速度的变化比以往平稳，结果不妨碍吸出管的压力恢复，从而能够降低损失。

Description

轴流式水力机械的叶轮叶片
技术领域
本发明涉及轴流式水力机械(axial flow hydraulic machinery)的叶轮叶片，更详细地说，涉及通过使叶轮叶片的形状合理化来提高性能的技术。
背景技术
以往，在轴流式水力机械中有卡普兰式水轮机、阀水轮机(valve wheel)等，但在设有这些轴流式水轮机的水力发电站中，如图14中用剖面示出其主要部分那样，从上游流入壳体1内的水流通过支撑部(stay)2，流过具备用于调整流量的开闭功能的导叶(guide vane)3，到达通过主轴与发电机连接的叶轮叶片4。
这样，该水流作用于叶轮叶片4使轮毂(boss)5旋转，从而使发电机旋转来发电，此后，从叶轮叶片4流出通过吸出管6，排出至下游或者下游水库(lower reservoir)。
此时，在图15所示的叶轮叶片4的尖端7和基础环(discharge ring)8之间存在间隙，因此水流泄漏流入叶轮叶片4和基础环8之间。而且，如果该泄漏流大，则作用于叶轮叶片4的流体力不能完全回收从而损失增大。
另一方面，在正交于叶轮旋转轴C的剖面上观察叶轮叶片4时，叶轮叶片4彼此不重叠的情况下，尤其在流速快的外周侧(叶轮叶片4的尖端7)，产生不作用于叶轮叶片4的穿过流。
受到该穿过流和叶轮叶片4及基础环8之间的间隙的影响，叶轮叶片出口的流速分布在尖端7侧易于紊乱，紊乱的液流使得不能够在吸出管6中充分地实现压力恢复，从而使得性能低下。
此外，受到离心力的影响，容易产生偏向外周侧(尖端7)的液流，而且在外周侧，流速大，叶轮叶片4的负压面(背面)上的压力降低。
因此，在叶轮叶片4和基础环8之间的间隙所存在的部位，容易产生涡空(cavitation)，从而易于产生涡蚀损伤(cavitation damage)，因此抑制产生该涡空和降低会引起性能低下的损失一起，对于延长叶轮叶片4的寿命而言是很重要的(例如，参照下述专利文献1、2、3)
专利文献1：日本特开平3-151570号；
专利文献2：日本特开平7-54752号；
专利文献3：日本特开2005-315216号。
但是，对于上述专利文献3中记载的轴流式水轮机，为了抑制因涡空而引起的水轮机性能低下，在叶轮叶片的外周部上设有整流片(fillet)。
然而，通过设置整流片能够抑制产生涡空，但不能够使叶轮叶片出口的流速分布合理化，此外，需要另外焊接整流片，从而使制作性能变差。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种轴流式水力机械的叶轮叶片，通过使叶轮叶片的形状合理化能够得到与整流片相同的效果，而且使叶轮叶片出口的流速分布合理化，从而提高性能。
用于解决上述的课题的技术方案1所记载的方式涉及一种轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，该轴流式水力机械的叶轮叶片的形状为在该叶轮叶片的背面侧的尖部不具有整流片，通过与叶轮旋转轴同轴的多个圆筒面，将上述叶轮叶片从轮毂部至上述尖部分别在周向上截断，从而得到多个周向剖面图形，并且，将这些周向剖面图形中分别表示上述叶轮叶片的表面及上述背面的流线，从上述叶轮叶片的入口端至出口端在周向上等分为相等的长度；沿着连接各流线中的周向被等分的位置彼此而成的线，在径向截断上述叶轮叶片时呈现径向剖面图形，观察该径向剖面图形，上述径向剖面图形的弧线的上述尖部侧的部分形成为向上述叶轮叶片的表面凸出的曲线，并且在上述叶轮叶片的表面的曲率半径为ρp，背面的曲率半径为ρs时，ρs＜ρp。
根据本发明，能够提供轴流式水力机械的叶轮叶片，通过使叶轮叶片的形状合理化能够得到与整流片相同的效果，而且使叶轮叶片出口的流速分布合理化，从而提高性能。
附图说明
图1是具备第一实施方式的叶轮叶片的轴流式水力机械的部分剖面图。
图2是表示第一实施方式的叶轮叶片的形状的图。
图3是图2的A-A剖面图。
图4是图2的B-B剖面图。
图5是表示第一实施方式的叶轮叶片的效果的图。
图6是表示第一实施方式的变形例的叶轮叶片的图。
图7是表示第二实施方式的叶轮叶片的图。
图8是表示第二实施方式的叶轮叶片的效果的图。
图9是表示第三实施方式的叶轮叶片的图。
图10是表示第三实施方式的叶轮叶片的效果的图。
图11是表示第四实施方式的叶轮叶片的效果的图。
图12是表示第五实施方式的叶轮叶片的图。
图13是表示第五实施方式的叶轮叶片的效果的图。
图14是轴流式水力机械的部分剖面图。
图15是表示以往的叶轮叶片的剖面形状的图。
附图标记说明
1 壳体
2 支撑部
3 导叶
4 叶轮叶片
5 轮毂
6 吸出管
7 尖端
8 基础环
10 第一实施方式的叶轮叶片
10′ 变形例的叶轮叶片
10a 表面
10b 背面
11 轮毂端
12 尖端
13 轮毂侧流线
14 中央流线
15 尖侧流线
16 入口端
17 出口端
18 弧线拐点
19 尖侧最大厚度部
20 第二实施方式的叶轮叶片
30 第三实施方式的叶轮叶片
40 第四实施方式的叶轮叶片
50 第五实施方式的叶轮叶片
C 叶轮旋转轴
ρp 叶轮叶片表面的曲率半径
ρs 叶轮叶片背面的曲率半径
TT 尖端厚度
TC 中央厚度
RB 从叶轮旋转轴至轮毂侧流线的距离
RT 从叶轮旋转轴至尖侧流线的距离
Ca 弧线
L 弧线变凸的位置距离尖端的距离
l 弧线变凸的位置距离叶轮叶片入口端的距离
ls 流线上的叶长
具体实施方式
以下，参照图1～图13，详细说明本发明的轴流式水力机械的叶轮叶片的各实施方式。另外，在以下的说明中，在相同部分上使用同一附图标记，省略重复的说明。
第一实施方式
首先，参照图1～图6，说明第一实施方式的叶轮叶片。
图1所示的轴流式水力机械100具备本第一实施方式的叶轮叶片10，其以外的部分与图14所示的以往的轴流式水力机械结构相同。
如图2所示，在本第一实施方式的叶轮叶片10中，从轮毂端11至尖端12，通过与叶轮旋转轴C同轴的等间隔的多个圆筒面分别在周向进行截断，从而得到如图3所示那样的多个周向剖面图形(A-A剖面)。
而且，这些周向剖面图形中分别表示叶轮叶片10的表面10a及背面10b的曲线(参照图4)为A-A剖面的流线(streamline)。
另外，附图标记13所表示的流线为轮毂侧流线，附图标记14所表示的流线为中央流线，附图标记15所表示的流线为尖侧流线。
此外，如图2所示，从叶轮叶片10的入口端16至出口端17，在周向等分各流线，并且能够得到如图4所示那样的径向剖面图形(B-B剖面)，该径向剖面图形是沿着在径向上连接各流线中的在周向被等分的位置彼此之间而成的线截断叶轮叶片10时呈现的图形。
而且，在观察该径向剖面图形时，叶轮叶片10的弧线(camber line)Ca中的尖部12侧的部分形成为向叶轮叶片10的表面10a凸出的曲线。
进一步，在叶轮叶片10的表面10a以及背面10b，在连接轮毂侧流线13、中央流线14、尖侧流线15这3个点而得到的表面10a的曲率半径为ρp，背面10b的曲率半径为ρs时，
ρs＜ρp      (算式1)。
此时，在使用图15所示的通常的叶4的情况下，如图5所示，成为具有如下倾向的流速分布，即，叶轮叶片出口端的流速分布的回转方向分速度因尖侧的泄漏流、穿过流和离心力而偏向尖端侧。
对此，如图5所示，在本第一实施方式的叶轮叶片10中，其背面10b的尖端12侧的弯曲从轮毂侧11向尖端12侧朝叶轮叶片表面10a凸出。
由此，偏向尖端12侧的液流被抑制，因此回转方向速度的变化比以往稳定。
结果，不会产生伴随液流的脱离的妨碍吸出管6中压力恢复的情况，从而能够降低损失。
另外，如图6所示的变形例的叶轮叶片10′那样，通过在弧线Ca中的中央流线14和尖侧流线15之间设置拐点18、18，也能够得到相同的效果。
第二实施方式
接着参照图7及图8，说明第二实施方式的叶轮叶片。
对于图7所示的本第二实施方式的叶轮叶片20，在上述第一实施方式的叶轮叶片10中，在从叶轮旋转轴C至轮毂端11的径向的距离为RB，从叶轮旋转轴C至尖部12的径向的距离为RT时，弧线Ca中的具有向叶轮叶片表面凸出的弯曲的部分距离叶轮旋转轴C的径向的距离L形成为
L-RB≥0.5×(RT-RB)              (算式2)。
即，在轴流式水力机械的叶轮叶片中流速分布易于紊乱的范围是从叶轮叶片10的径向的中央部至尖端的范围。
此时，本第二实施方式的叶轮叶片20在算式2所规定的径向范围内实施第一实施方式的叶轮叶片10所说明的方式，从而能够实现流速分布的合理化，能够如图8所示那样降低损失。
第三实施方式
接着参照图9及图10，说明第三实施方式的叶轮叶片。
图9表示第三实施方式的叶轮叶片30的沿图2中A-A剖面的流线的剖面。
此时，在本第三实施方式的叶轮叶片30中，第一实施方式的叶轮叶片10中所说明的该弧线Ca具有向叶轮叶片表面10a凸出的弯曲的部分距离叶轮叶片30的入口端16的距离为l，叶轮叶片30的从入口端16到出口端17向周向的流线的长度为ls时，
l≤0.8×ls         (算式3)。
即，在第一实施方式的叶轮叶片10中，在该弧线Ca具有向叶轮叶片背面10a凸出的弯曲的部分的周向范围为从叶轮叶片入口端16至出口端17的整个范围时，如图10所示，从叶轮叶片出口端流出的后液流变大，从而损失增大。
对此，对于本第三实施方式的叶轮叶片30，第一实施方式的叶轮叶片10中所说明的该弧线Ca具有向叶轮叶片表面10a凸出的弯曲的部分，其周向范围是上述算式3所规定的范围，因此能够抑制因产生后液流而出现的损失。
第四实施方式
接着参照图11，说明第四实施方式的叶轮叶片。
对于本第四实施方式的叶轮叶片40，在第一实施方式的叶轮叶片10中，在中央流线14的叶轮叶片厚度为TC，尖端12的叶轮叶片厚度为TT时，
1.2TC≤TT≤1.6TC        (算式4)。
即，如图11所示，在第一实施方式的叶轮叶片10中能够得到的效果的是，在1.2TC≤TT时，若1.6TC≤TT，则碰撞损失增大，并且叶面负荷分布不合理，从而损失增大。
对此，在本第四实施方式的叶轮叶片40中，TT的值为上述的算式4所规定的范围，因此能够抑制在叶轮叶片40的背面偏向尖侧的液流，从而使回转方向速度的变化比以往平稳。
结果，不会产生伴随液流脱离的妨碍吸出管6中压力恢复的情况，从而能够降低损失。
第五实施方式
接着参照图12及图13，说明第五实施方式的叶轮叶片。
对于本第五实施方式的叶轮叶片50，在第三实施方式的叶轮叶片30中，
在从L-RB≥0.8×(RT-RB)         (算式5)
所规定的位置L到尖端侧的最大厚度部19的曲率半径为ρST时，成为
0.5≤(RT-L)/ρST＜1.0          (算式6)。
即，在本第五实施方式的叶轮叶片50中，在成为算式6所规定的范围外时，能够得到尖侧的涡空抑制效果及泄漏流的抑制效果，但不能够成为叶状，从而不能够实现出口的流速分布合理化。
因此，在算式6所规定的算式的范围内，如图13所明确示出的那样，能够得到本发明的充分效果。

Claims (6)

1.一种轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，
该轴流式水力机械的叶轮叶片的形状为在该叶轮叶片的背面侧的尖部不具有整流片，
通过与叶轮旋转轴同轴的多个圆筒面，将上述叶轮叶片从轮毂部至上述尖部分别在周向上截断，从而得到多个周向剖面图形，
并且将这些周向剖面图形中分别表示上述叶轮叶片的表面及上述背面的流线，从上述叶轮叶片的入口端至出口端在周向上等分为相等的长度，
沿着在径向连接各流线中周向被等分的位置彼此之间而成的线，在径向上截断上述叶轮叶片时呈现径向剖面图形，在观察该径向剖面图形时，
上述径向剖面图形的弧线中上述尖部侧的部分形成为向上述叶轮叶片的表面凸出的曲线，并且
在上述叶轮叶片的表面的曲率半径为ρp，背面的曲率半径为ρs时，ρs＜ρp。
2.根据权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，
上述径向剖面图形的弧线在上述叶轮叶片的径向的中央部和尖部之间具备拐点。
3.根据权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，
在上述叶轮叶片中从叶轮旋转轴至轮毂部的径向的距离为RB，从叶轮旋转轴至尖部的径向的距离为RT，
上述弧线中的向上述叶轮叶片的表面凸出的曲线部分距离叶轮旋转轴的径向距离为L时，
上述弧线中的向上述叶轮叶片的表面凸出的曲线部分在
L-RB≥0.5×(RT-RB)
所规定的范围内。
4.根据权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，
在上述叶轮叶片的从入口端至出口端的向周向的各流线的长度为ls，
而上述弧线中的具有向上述叶轮叶片的表面凸出的弯曲的部分距离上述叶轮叶片入口端的周向距离为l时，
上述弧线中的具有向上述叶轮叶片的表面凸出的弯曲的部分在
l≤0.8×ls
所规定的范围内。
5.根据权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，
在上述叶轮叶片中的径向的中央部的厚度为TC，尖部的厚度为TT时，
1.2TC≤TT≤1.6TC。
6.根据权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，
在上述叶轮叶片中的从叶轮旋转轴至轮毂部的径向距离为RB，从叶轮旋转轴至尖部的径向距离为RT，
上述弧线中的向上述叶轮叶片的表面凸出的曲线部分距离叶轮旋转轴的径向距离为L时，
上述弧线中的向上述叶轮叶片的表面凸出的曲线部分在
L-RB≥0.8×(RT-RB)
所规定的范围内，
并且在上述叶轮叶片中的从位置L至尖侧的最大厚度部的曲率半径为ρST时，
0.5≤(RT-L)/ρST＜1.0。
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