CN101960091B

CN101960091B - 水力机械的轮、包括该轮的水力机械及配有该水力机械的能量转换设备

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Publication number: CN101960091B
Application number: CN200980108139.5A
Authority: CN
Inventors: F·马祖吉; M·H·库斯东; J·B·乌德兰; S·拉维涅; C·塞古芬
Original assignee: Alstom Renewable Technologies Wind BV
Current assignee: Ge renewable energy technologies
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2009-02-13
Publication date: 2015-02-25
Anticipated expiration: 2029-02-13
Also published as: ATE531897T1; JP2011512478A; EP2242908B1; US8684694B2; KR20100112198A; FR2927670B1; FR2927670A1; RU2479746C2; CN101960091A; US20110008150A1; ES2374701T3; IL207507A; WO2009101371A2; EP2242908A2; RU2010138127A; ZA201005925B; WO2009101371A3; SI2242908T1; JP5546465B2; IL207507A0

Abstract

混流式轮(R)包括：围绕轮(R)的转动轴线(Z)呈回转对称的下环(1)；和弯曲的并与下环(1)连在一起的叶片(21、22)，每个叶片具有一外周边(212、222)和一内中心边缘(211、221)。下环(1)与叶片(21、22)的内中心边缘(211、221)的连接点(B₂₁、B₂₂)位于定中心在转动轴线(Z)上的同一圆(C₂₀)上。下环(1)与叶片(21、22)的外周边(212、222)的连接点(A₂₁、A₂₂)位于至少两个定中心在转动轴线(Z)上的不同圆(C₂₁、C₂₂)上。

Description

水力机械的轮、包括该轮的水力机械及配有该水力机械的能量转换设备

技术领域

本发明涉及用于被强制水流穿过的水力机械的混流式(Francis法兰西斯)轮。当水力机械为水轮机时，这种流的作用是带动轮转动。当水力机械是水泵时，这种流产生自该转动。另外，本发明涉及包括这种轮的水力机械。另一方面，本发明涉及配有这种水力机械的能量转换设备。

背景技术

JP-A-2005 48608描述了一种用于水泵水轮机型水力机械的轮，该轮包括一个轴对称的下环(couronne)和多个弯曲的叶片，这些叶片固定至下环或与该下环成一体，并且每个叶片具有一外周前缘和一中心内后缘。下环与每隔一个叶片的中心内边缘的连接位于大半径的第一圆上，而下环与和所述每隔一个叶片相邻的各叶片的中心内边缘的连接位于更小半径的第二圆上。在轮的外周区域，下环与中心内边缘处于第一圆上的叶片的连接位于下环的周边上，而下环与中心内边缘处于小半径第二圆上的相邻叶片的连接位于相对下环周边的缩进处。JP-A-2005 48 608的轮的这种特殊几何形状用于减小当水力机械在稳定状态运行时水轮机入口、即轮周边出现的空穴现象，以便提高其在稳定状态的水力效率。

在现有技术的水力机械以水轮机模式启动之后或停止前的瞬时状态，轮承受转动的并且异步的径向力，这些径向力趋于使轮“偏斜”。在瞬时状态，这些施加在轮上的径向力产生可能非常高的、并因此决定水力机械的组成部件如它的轴或轴承的尺寸的机械应力级。因此由于这类径向力，这些组成部件的成本必然增加。

发明内容

本发明的目的尤其旨在通过提出其几何形状减小、甚至避免瞬时状态时转动径向力产生的轮，来克服这一缺点。

为此，本发明的目标是由强制水流穿过的水力机械用的混流式轮，该轮包括：

-围绕轮的转动轴线呈回转对称的下环；

-多个与下环固定或成一体的弯曲叶片，并且每个叶片具有一外周边和一内中心边缘；

其特征在于，下环与叶片内中心边缘的连接点大体位于定中心在所述转动轴线上的同一圆上；并且，下环与叶片外周边的连接点位于至少两个定中心在所述转动轴线上的不同圆上。

轮的这种几何形状引起方位不对称性，这样可以明显减少在瞬时状态轮承受的径向力。

根据本发明的单独或以任何技术上可行的组合考虑的有利但可选的其它特征：

-下环与叶片外周边的连接点位于定中心在所述转动轴线上的两个不同圆上，长叶片的连接点位于第一圆上，短叶片的连接点位于直径小于第一圆直径的第二圆上；

-轮另外包括围绕所述转动轴线呈回转对称性的、并与所述下环相面对的上冠，叶片与上冠相固定或成一体，上冠与叶片内中心边缘的连接点位于定中心在所述转动轴线上的同一圆上，并且上冠与叶片外周边的连接点位于至少两个定中心在所述转动轴线上的不同圆上；

-上冠与叶片外周边的连接点位于定中心在所述转动轴线上的不同两个圆上；

-一方面短叶片、另一方面长叶片，均规则地围绕转动轴线分布；

-轮包括九个叶片，其中有六个长叶片和三个短叶片，三个短叶片以为120°的角间距布置于下环上；

-轮的叶片数量为偶数个，并且每隔一个叶片为短叶片；

-每个短叶片的展开长度为长叶片展开长度的50％到99％的范围，并优选为长叶片展开长度的70％到85％的范围。

另外，本发明的目标还在于水力机械，其特征在于，该水力机械包括如上所述的轮。

因此，符合本发明的水力机械的组成部件的尺寸可被确定成具有更小机械应力、因此更低成本但该水力机械保持等同性能。

另一方面，本发明的目标是配有至少一个如上所述水力机械的能量转换设备。

因此，符合本发明的能量转换设备与现有技术的设备相比，成本更低而具有相等性能。

附图说明

通过下面作为非限定例子给出并参照附图给出的描述，将更好地理解本发明和也将更好地体现出来本发明的其他优点，附图如下：

-图1是表示符合本发明的能量转换设备的原理的剖面图，该设备配有包括根据本发明的轮的水力机械；

-图2是沿图1的虚线II的只是轮的示意剖面图；

-图3是沿图1的虚线III的只是轮的示意剖面图；和

-图4是图2的轮的局部透视图。

具体实施方式

图1所示的设备i包括是混流式(Francis)水泵水轮机的可逆式水力机械M，从贮槽3给水力机械的转轮或轮R供水，强制流管道4开通到贮槽3中。运行中，轮R围绕竖直的转动轴线Z旋转。为了以水轮机工况模式产生电，水力机械M通过绕轴线Z转动的轴50与交流发电机5联接。在贮槽3与轮R之间设置有固定导叶6和活动导叶7，其作用是引导并调节来自管道4和用于朝排放管8的方向穿过轮R的水流与水流量E。

图2表示包括下环1的轮R的一部分，下环1具有围绕轴线Z的回转对称性。下环1具有直径为D₁₀的外周边10。图3表示包括上冠(plafond)12的轮R的一部分，上冠限定出中心孔11。上冠12也具有呈围绕轴线Z的回转对称性并与下环1相面对就位。用D₁₂表示上冠12的外周边的直径。外周边10和中心孔11都对中心在轴线Z上。如图1和4所示的，下环1的表面和上冠12的表面具有扭曲形状，这些扭曲形状由曲线段围绕并远离开轴线Z转动所产生的。普通混流式轮的下环和上冠的任何形状都适合于确定符合本发明的轮的各自的下环表面和上冠表面。

轮R另外包括与下环1和上冠12相固定或成一体的九个叶片21和22，这些叶片围绕轴线Z延伸在下环1和上冠12之间，如图4所示。每个叶片21或22具有弯曲的形状，并且总体上均呈一螺旋部分的形式。普通叶片的任何曲面都适于确定叶片21或22的曲面。每个叶片21或22均具有位于下环1周缘的一周边212、相应地222、以及朝向轴线Z的一中心边缘211、相应地221。这里当物体邻近轴线Z时该物体称为“中心”物体，这与形容词“周边”的含义正相反：形容词“周边”表示远离轴线Z的物体。

当轮R以水轮机工况运行时，外周边212或222形成叶片21或22的前缘，并且内中心边缘211或221形成它的后缘。下文对水轮机工况方式进行的描述采用“前缘”和“后缘”这些表达；在轮以水泵工况方式运行的情况下，可通过互换这些表达来转换描述。

在轮R的九个叶片21和22中，三个叶片22的展开长度小于其它六个叶片21的展开长度。因此叶片22被称作“短”叶片，而叶片21称作“长”叶片。

在下环1的中心区，分别用B₂₁和B₂₂表示下环1与每个叶片21或22的后缘211、221相连接的点。点B₂₁和B₂₂位于定中心在轴线Z上的、直径为D₂₀的同一中心圆上。因此，所有叶片21和22都延伸直到直径为D₂₀的中心圆C₂₀。

在下环1的周边区，用A₂₁表示下环1与每个长叶片21的前缘212相连接的点。点A₂₁位于定中心在轴线Z上、且直径为D₂₁的第一圆C₂₁上。同样，用A₂₂表示下环1与每个短叶片22的前缘222相连接的点。点A₂₂位于定中心在轴线Z上、且直径D₂₂小于第一圆直径D₂₁的第二圆C₂₂上。因此，点A₂₁比点A₂₂更靠近下环1的边缘10。第一圆C₂₁和第二圆C₂₂各自的直径D₂₁和D₂₂、以及中心圆C₂₀的直径D₂₀都小于边缘10的直径D₁₀。

换句话说，短叶片22向下环1边缘10的延伸没有长叶片21延伸得远。这就是为什么短叶片22的展开长度要小于长叶片21的展开长度的原因。因此，叶片21和22的各自的点A₂₁和A₂₂位于均定中心在轴线Z上、并且分别具有不同直径D₂₁和D₂₂的不同两个圆C₂₁和C₂₂上。

根据本发明的一未示出的变型，下环与前缘的连接点可以位于多于两个的不同圆上，例如位于三个圆上。

图3表示叶片21和22在轮R的上冠12上的布置定位。以与下环1和叶片21、22相连接类似的方式，在上冠12的中心区中，分别用G₂₁和G₂₂表示上冠12与每个叶片21或22的后缘211、221相连接的点。点G₂₁和G₂₂位于定中心在轴线Z上、并且直径为D₄₀的共同中心圆C₄₀上。因此，所有叶片21和22延伸直到直径为D₄₀的该共同中心圆C₄₀。

在上冠12的周边区域，用F₂₁表示上冠12与每个长叶片21的前缘212进行连接的点。点F₂₁位于定中在轴线Z上、并且直径为D₄₁的第三圆C₄₁上。同样，用F₂₂表示上冠12与每个短叶片22的前缘222相连接的点。点F₂₂位于定中心在轴线Z上、并且直径D₄₂小于第三圆直径D₄₁的第四圆C₄₂上。

实际中，根据配有轮R的水力机械的期望功率，下环1的边缘10的直径D₁₀可以在0.4m到10m的范围。根据下环1的所选择的尺寸，第一圆的直径D₂₁可以在直径D₁₀的90％到100％的范围，并且第二圆的直径D₂₂可以在直径D₂₁的70％到99％的范围、并优选在直径D₂₁的80％到95％的范围。根据为上冠12所选择的尺寸，第三圆的直径D₄₁可以在直径D₁₂的90％到100％的范围，并且第四圆的直径D₄₂可以在直径D₄₁的70％到99％的范围、优选在直径D₄₁的80％到95％的范围。

根据轮R的特征，特别是它的尺寸和它用于以稳定状态转动的转动频率，每个短叶片22的展开长度可以在长叶片21展开长度的50％到长叶片21展开长度的99％的范围中。长叶片21的展开长度可以在点A₂₁和B₂₁之间、或者在点F₂₁和G₂₁之间测量出。同样，短叶片22的展开长度可以在点A₂₂和B₂₂之间或在点F₂₂和G₂₂之间测量出。优选地，短叶片22的展开长度是在长叶片21展开长度的70％到长叶片21展开长度的85％之间。因此，如果长叶片21的展开长度是1m，则短叶片21的展开长度可以例如为0.8m。

为了保证轮R的良好的动态平衡，一方面短叶片22、和另一方面长叶片21，全都规则地分布在轮R的转动轴线Z周围。在该例中，三个短叶片22以相互间为120°的角间距α₂₂布置在下环1上。两个长叶片21以规则的间隔位于两个相继的短叶片22之间，并且对于两个相邻的长叶片21，其角间距为40°，而对于之间布置有一个短叶片22的两个长叶片21，其角间距为80°。

短叶片和长叶片的其它分布也是可以的。因此可以设置偶数个数量的叶片，例如十个叶片，其中每隔一个叶片为短叶片而每两个短叶片之间是一个长叶片，短叶片和长叶片都围绕轮的转动轴线规则地分布。

符合本发明的轮可以减小、甚至避免在带有普通叶片的轮上产生的径向力，尤其在以水轮机方式投入运行或停止的瞬时状态时。已经发现，令人吃惊的是，符合本发明的轮允许减小在瞬时状态轮所承受的径向力的强度。根据其应用对轮叶几何形状的最优化，还允许进一步减小该强度。

因此，符合本发明的水力机械的轮和轴的径向偏斜减小，甚至为零。因此，这降低了水力机械的成本，因为可以减小它的尺寸。

这里已经结合水泵水轮机型的可逆式水力机械对本发明进行了描述。但是，本发明也应用于水轮机类型的“简单”水力机械。

Claims

1.用于被强制水流(E)穿过的水力机械(M)的混流式轮(R)，所述轮包括：

－围绕所述轮(R)的转动轴线(Z)呈回转对称的下环(1)；

－多个弯曲的叶片(21、22)，这些叶片固定至所述下环(1)或与所述下环成一体，每个叶片具有一外周边(212、222)和一内中心边缘(211、221)；

其特征在于，所述下环(1)与所述叶片(21、22)的内中心边缘(211、221)的连接点(B₂₁、B₂₂)位于定中心在所述转动轴线(Z)上的同一圆(C₂₀)上；并且，所述下环(1)与所述叶片(21、22)的外周边(212、222)的连接点(A₂₁、A₂₂)位于都定中心在所述转动轴线(Z)上的至少两个不同圆(C₂₁、C₂₂)上。

2. 如权利要求1所述的轮(R)，其特征在于，所述轮另外包括上冠(12)，所述上冠(12)是围绕所述转动轴线(Z)呈回转对称的并与所述下环(1)相面对地就位，所述叶片(21、22)固定至所述上冠(12)或与该上冠成一体；所述上冠(12)与所述叶片(21、22)的内中心边缘(211、221)的连接点(G₂₁、G₂₂)位于定中心在所述转动轴线(Z)上的同一圆(C₄₀)上；并且，所述上冠(12)与所述叶片(21、22)的外周边(212、222)的连接点(F₂₁、F₂₂)位于都定中心在所述转动轴线(Z)上的至少两个不同圆(C₄₁、C₄₂)上。

3. 如权利要求1所述的轮(R)，其特征在于，所述下环(1)与所述叶片(21、22)的外周边(212、222)的连接点(A₂₁、A₂₂)位于定中心在所述转动轴线(Z)上的两个不同圆(C₂₁、C₂₂)上，长叶片具有位于第一圆上的连接点，短叶片具有位于第二圆上的连接点，所述第二圆的直径(D₂₂)小于所述第一圆的直径(D₂₁)。

4. 如权利要求3所述的轮(R)，其特征在于，所述轮另外包括上冠(12)，所述上冠(12)是围绕所述转动轴线(Z)呈回转对称的并与所述下环(1)相面对地就位，所述叶片(21、22)固定至所述上冠(12)或与该上冠成一体；所述上冠(12)与所述叶片(21、22)的内中心边缘(211、221)的连接点(G₂₁、G₂₂)位于定中心在所述转动轴线(Z)上的同一圆(C₄₀)上；并且，所述上冠(12)与所述叶片(21、22)的外周边(212、222)的连接点(F₂₁、F₂₂)位于都定中心在所述转动轴线(Z)上的至少两个不同圆(C₄₁、C₄₂)上。

5. 如权利要求4所述的轮(R)，其特征在于，所述上冠(12)与所述叶片(21、22)的外周边(212、222)的连接点(F₂₁、F₂₂)位于都定中心在所述转动轴线(Z)上的两个不同圆(C₄₁、C₄₂)上。

6. 如权利要求4所述的轮(R)，其特征在于，所述短叶片规则地分布在所述转动轴线(Z)周围并且所述长叶片规则地分布在所述转动轴线(Z)周围。

7. 如权利要求4所述的轮(R)，其特征在于，所述轮包括九个叶片，其中六个长叶片和三个短叶片，所述三个短叶片以120°的角间距(α₂₂)布置在所述下环(1)上。

8. 如权利要求4所述的轮(R)，其特征在于，所述轮具有偶数个叶片；并且，每隔一个叶片是一个短叶片，并且每两个相邻的短叶片之间是一个长叶片。

9. 如权利要求4所述的轮(R)，其特征在于，每个短叶片的展开长度在长叶片展开长度的50%到长叶片展开长度的99%的范围。

10. 如权利要求9所述的轮(R)，其特征在于，每个短叶片的展开长度在长叶片展开长度的70%到长叶片展开长度的85%的范围。

11. 水力机械(M)，其特征在于，所述水力机械包括如上述权利要求中任一项所述的轮(R)。

12. 能量转换设备(i)，其特征在于，所述能量转换设备配有至少一个如权利要求11所述的水力机械(M)。