CN102325988B - 液力能的转化设备和这类设备的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设备，该设备包括液力涡轮机(1)、将强制水流引向涡轮机的引水导道(5)、排送从液力涡轮机出离的水流的排送导道(8)、以及在排送导道中引导水流的导引叶片(20)。每个导引叶片(20)在围绕与排送导道的壁体(84)相交的一轴线(X₂₂)的转动方面是活动的。设置用于控制所述导引叶片(20)围绕其转动轴线(X₂₂)的角位置的部件(30)。每个导引叶片(20)在排送导道(8)的壁体(84)中还是可回缩的，并且设置调节导引叶片在壁体中的嵌插深度的部件(21)。

Description

液力能的转化设备和这类设备的控制方法

技术领域

本发明涉及将液力能转化为电能或机械能的转化设备，这类设备包括液力涡轮机、将强制水流引向涡轮机的引水导道、和当该强制水流离开涡轮机时排送该水流的排送导道。

背景技术

在已知的设备中，涡轮机的轮体下游的水流根据涡轮机的运行点波动，涡轮机的运行点特别是取决于向涡轮机导引的水流量。在某些运行点，趋于形成通常被定义为“炬(torches)”的涡流或湍流，并且引起压力和/或功率的波动。

为了回应这种问题，已知地，例如在文献WO-A-2005/038243中，配备轴同辐流式涡轮机的轮体，轮体具有一尖端，尖端包括两个表面，分别地在轮体的转动轴线的方向上是会聚的和发散的，这在很大程度上对湍流进行限制。然而，在某些工况下，湍流依然存在。

为了消除这种效率损失，在文献US-A-2007/0009352中设计可回缩的叶片。这些可回缩的叶片并不适于涡轮机的所有运行点，和在某些运行条件下，这种可回缩的叶片对设备效率的影响是非常负面的。

已知地在文献JP-A-57108468中，在涡轮机的输出流的排送导道中，在一固定叶片上部安装在转动方面是活动的一叶片。至少在某些工况，固定叶片对流动形成干扰。

此外，空化(cavitation)的问题会伴随已知的设备突然出现。

发明内容

本发明更为特别地旨在通过提出如上所述类型的能量转化设备来消除这些弊端，在其中，在排送导道中经过的水流可被稳定，而不在设备的不同运行点降低设备的效率。

为此，本发明涉及如上所述类型的设备，在其中，每个导引叶片在围绕与排送导道的壁体相交的一轴线的转动方面是活动的，这种设备包括叶片围绕其转动轴线的角位置的控制部件，和每个在转动方面活动的叶片在排送导道的壁体中是可回缩的，和设备包括该叶片在壁体中嵌插的调节部件。

借助于本发明，可能的是，调适所述导引叶片的取向、以及导引叶片相对于排送导道或吸水导道的壁体凸出的方式，同时考虑到水流在离开涡轮机时可能的转动分量的方向。

根据本发明的有利的但非强制性的方面，这类设备可包括一个或多个下述特征，根据所有技术上可行的组合：

-控制部件能够根据水流的至少一表示参数固定导引叶片的角位置。

-该或每个在转动方面活动的叶片相对于排送导道的壁体，从该导道内部是可拆卸的。作为变型，设备包括进入排送导道的壁体的外表面的一进入槽道，和该或每个叶片相对于该壁体，从该槽道是可拆卸的。

-每个叶片与滑动安装的一活塞，平行于叶片的转动轴线，相对于在壁体上固定的一构件，相连在一起，和包括叶片和活塞的一子组件以具有围绕叶片的转动轴线转动的可能性被安装，和在于该子组件包括与子组件的在围绕叶片的转动轴线的转动方面的驱动部件进行配合的部件。

-每个活动叶片在其转动轴线两侧延伸。

-设备包括多个在转动方面活动的导引叶片，每个围绕与排送导道的壁体相交的一轴线在转动方面是活动的，和控制部件按分组的方式作用在导引叶片上。作为变型，控制部件单个地作用在导引叶片上。

本发明还涉及可与如上所述的设备一起使用的一种方法，和更为特别地，液力能转化为电能或机械能的转化设备的一种控制方法，所述转化设备包括一液力涡轮机，将一强制水流引向涡轮机的一引水导道和排送从涡轮机出离的水流的一排送导道，和水流在排送导道中的至少一导引叶片，其特征在于，该方法包括一步骤，该步骤在于控制水流在排送导道中的每个导引叶片的围绕与排送导道的壁体相交的一轴线的角位置，以及一步骤，该步骤在于控制每个活动叶片在排送导道的壁体中嵌插的位置。

该方法可包括一或多个下述有利的和作为选择的特征：

-叶片的角位置根据水流的至少一表示参数进行控制，尤其是流量。

-设备包括分布在排送管的壁体上的多个叶片，和对叶片的位置按分组的方式进行控制。作为变型，对每个叶片的位置单个地进行控制。

-通过对一腔室——腔室布置在从属于一子组件的一本体中和由与叶片相连在一起的一活塞界定——供给或不供给来自引水导道的承压水，来控制每个活动叶片在排送导道的壁体中的嵌插位置。

附图说明

通过阅读接下来的对根据本发明的原理的设备和其控制方法的两实施方式的描述——该描述仅作为示例给出且参照附图，本发明将更好地得到理解，且本发明的其它优点将更为清晰地得到展示，附图中：

-图1是根据本发明的第一实施方式的设备的轴向剖面的原理示意图；

-图2是图1的细节II的放大比例视图；

-图3是在图1的设备的第一使用构型中的速度分布的展开示意图；

-图4是在转动方面活动的叶片在对应图3的速度分布的一位置中的，在图2的箭头F1的方向上的正视图；

-图5是与图3相似的示意图，但设备在其它条件下运行；

-图6是与图4相似的视图，但设备在图5所示的条件下运行；和

-图7是与图2相似的视图，用于根据本发明的第二实施方式的设备。

具体实施方式

在图1到图6上示出的设备I包括轴同辐流式涡轮机1，其轮体2用于通过来自未显示的贮水池的强制水流E被施以围绕一垂直轴线X₂的转动。与轮体2相连在一起的轴体3与交流发电机4相联接，交流发电机根据轮体2的转动，向未显示的一电网发送交流电流。设备I从而允许将水流E的液力能转化为电能。设备I可包括由贮水池进行供给的多个涡轮机1。

作为变型，轴体3可与一机械组件相联接，在此情形下设备I将水流E的液力能转化为机械能。

供给管道5允许将水流E带至轮体2，且在贮水池和水箱6之间延伸，所述水箱配有对水流E进行调节的导流叶片61。

在涡轮机1的下游设置一导道8，用于排送水流E和将水流送回所述贮水池从之进行供给的河床。该导道8有时被定义为吸水导道。

设置一控制单元10，用于尤其是根据从交流发电机4进行供电的电网的电力需要，和根据对于水流E可用的水流量，来控制涡轮机1。控制单元10能够规定设备I的多个运行点，并且分别地向交流发电机4和导流叶片61发送控制信号S₁和S₂。

导道8包括一上游部分81，所述上游部分是基本垂直的、截锥形的且在轮体2的转动轴线X₂上定中心。导道8还包括一下游部分82，下游部分在基本水平的一轴线X₈₂上定中心。由于轴线X₈₂与水平面形成小于20°的一角度，轴线X₈₂是基本水平的。实际上，轴线X₈₂可在水流E的方向上略微上升。90°的一弯管83将导道8的部分81和82相连接。

为了在水流E经过轮体2后使水流E稳定，导道8在其上游部分81中配有多个叶片20，叶片从上游部分81的壁体84起，在轴线X₈₂的方向上凸出。这些叶片20用于由从离开轮体2的、沿着壁体84流动的水流E部分地触碰。这些叶片从而在排送导道或吸水导道8中对水流E产生影响。

图1——其是在包括垂直轴线X₂的一垂直平面中的剖面——示出两叶片20。实际上，叶片数目20根据部分81的直径和对于水流E所设置的流量被选择。如在图2上更为特别地示出，每个叶片20与一活塞21相连在一起，活塞安装在一圆柱形本体22中，本体的底座是环形的，在垂直于壁体84的一轴线X₂₂上定中心。活塞21配有密封垫圈211和212，并且与一杆体23相连在一起，杆体横穿呈盘形的一板体24，具有相对于该板体沿着轴线X₂₂滑动的可能性。板体24配有密封垫圈241和242，密封垫圈241和242与密封垫圈211和212保证对于一腔室C₂₂外部的流体隔离，腔室在板体24和活塞21之间，围绕杆体23，径向地布置在本体22内部。

如图4所示，每个叶片20在对应的轴线X₂₂两侧延伸。实际上，每个叶片20在轴线X₂₂上定中心。

板体24通过螺钉25固定在本体22上，螺钉在图2上通过螺钉的轴线示出。

通过未显示的一导道对腔室C₂₂供给来自导道5的水。这允许对腔室C₂₂进行增压，具有将活塞21在图2的箭头F₂的方向上向后推，和使叶片20在垂直轴线X₂的方向上超出壁体84的作用。

通过构件20到25形成的子组件按具有围绕轴线X₂₂转动的可能性的方式在一衬套26中被安装，衬套在一冠状体27中保持不动，冠状体相对于壁体84是固定的。形成支座的接头如有需要围绕本体22和板体24径向地布置，并且允许前述的子组件相对于衬套26转动。

在轴向地超出的部分中，沿着轴线X₂₂，相对于衬套26，冠状体24配有径向外齿243，其啮合一齿轮29，齿轮通过电伺服马达30的输出轴301被带动。该马达通过电子信号S₃由单元10进行控制。

伺服马达30从而允许根据单元10所接收的控制信号S₃，围绕轴线X₂₂在转动方面带动由构件20到25形成的子组件。

这种转动允许使得叶片20围绕轴线X₂₂的角位置发生变化。每个叶片20从而是可围绕一轴线X₂₂定向的。如图4和图6所示，叶片20呈平坦板体的形状，且其角位置可由一角度α进行度量，所述角度α在轴线X₂₂之上在一中平面P₂₀——其位于叶片20的大侧面201和202之间，和包含轴线X₂₂的一垂直平面P₂₂之间量取。

对于每个活动叶片20，马达30允许使叶片围绕轴线X₂₂的角位置与在导道8中的水流E的条件相适应。

图3在轮体2的环带体的一展开视图中示出在轮体2的一轮叶2B的逸流缘2A附近的速度分布。考虑到轮体2以角速度ω转动，而逸流缘2A的切向速度U等于ω×R，其中R是在逸流缘2A与垂直轴线X₂之间的径向距离或半径。

此外，如果考虑水流离开轮体2时的速度W，该速度W位于轮叶2B的延伸部分中。该速度W分解为一垂直分量W_V——即平行于垂直轴线X₂、和一切向分量W_T。

在对于水流E的流量Q小的一构型中，如图3所示，速度的垂直分量W_V相对小，并且，由于速度W相对于垂直线的倾角β通过轮叶2B的几何形状确定，速度的切向分量W_T的模数|W_T|小于轮叶的切线速度的模数|U|。在这些条件中，从轮体2喷射到逸流缘2A附近的水具有在与轮叶的切线速度U的相同方向上的一切线速度分量，即指向图3上的右侧。水流在该图示平面中通过箭头E示出。

在此情形下，从轮体离开的水在与轮体2相同的方向上围绕垂直轴线X₂转动。

这引起湍流炬在导道8中的形成，具有强烈的压力波动，这可校正叶片20是否正确地定位。

在水流E的流量Q大的情形下，速度W的垂直分量W_V的模数大，并且，由于角度β通过轮叶2B的几何形状确定，切向分量V_T的模数从而大于切线速度U的模数。在图5所示的情形中，水流E向图5的左侧喷射，和在该图示上可通过箭头E示出。在此情形下，当水流从轮体2喷射时，水流E在与轮体的转动方向相反的方向上转动。从而产生湍流炬，具有较大的压力波动，这可对叶片20进行校正。

因此，根据流量Q的值，在吸水导道8中改变水流E围绕垂直轴线X₂的转动方向。叶片20的角位置允许以如下的方式影响水流E的转动：

i)在小流量Q的情形下，如果运行点是如：仅仅寻求极大地减轻压力的波动，而不关注效率的降低，那么使得每个叶片20以一正角α在图4的图示中转动，以最大程度地放慢水在吸水导道8中的转动流动。

ii)依旧在小流量Q的情形下，如果运行点总是具有压力的波动，然而是以小于如上文所考虑的例i)的水平，那么叶片20可以一负角α在图4的图示中被定向，以在设备的效率上具有较小的负面影响，同时略微减轻压力的波动。

iii)在大流量Q的情形下，水流在吸水导道中的转动方向是颠倒的，对于上述的两运行点的推理是颠倒的。

为此，可调节通过叶片20与垂直线形成的角度α，以获得期望的效果。如果将叶片在基本平行于水流的一方向上定向，对效率的影响较小。相反地，如果对于一运行点期望极大地减轻压力的波动，可使叶片转动以使得叶片对水流形成阻挡。压力波动的减轻在效率上具有相对大的负面作用，不过这种负面作用仅对于所考虑的运行点存在，对于其它的运行点，可不加区别地对叶片20围绕轴线X₂₂的定向角度α进行再调整。

因此调整每个叶片20的定向角度α，以获得压力波动/效率之间的最优折衷。

当水流E的流量和轮体2的转动速度是如：切线速度的模数|W_T|和|U 是相等的，即当水流E在离开轮体2时基本是垂直的时，叶片20被布置以使得叶片的各自中平面P₂₀是垂直的，即角度α取零值。

叶片20围绕其转动轴线X₂₂的角位置的调节可通过经验，通过归纳地验证该位置对设备I的效率和压力波动水平的影响来执行。

有利地，单元10根据通过在管道5上安装的一流量传感器12发送的一信号S₄来自动地控制可定向的叶片20。该流量传感器可是各种合适类型的传感器，例如以差压传感器实施。通过初步近似，和通过考虑轮体2以基本恒定的速度转动，这是对于配有同步交流发电机的机器的情形，可在单元10中，在水流E的流量Q的基础上，计算切线速度W_T和U，和以此，确定水流E相对于轮体的转动方向的出离方向，即在相同的方向上或相反的方向上。单元10从而能够确定应给予叶片20以围绕其各自轴线X₂₂的何种角度定向来稳定水流E。

作为变型或作为补充，可在轴体3上安装一速度计4，和向单元10提供表示轴体3的转速的一信号S₅，这允许精确地知晓切线速度U的值。该信号S₅可通过单元10集成，来确定要提供给每个叶片20的用于在吸水管8中稳定水流E的倾角α的值。

每个衬套26在一冠状体27中拧紧，和当需要在子组件20-25之一上进行干预来进行维护时，只需松旋冠状体27的对应衬套26，来从导道8的上游部分81进入该子组件的组成元件。叶片的支撑和定位元件被布置在一槽座90中，槽座布置在设备的混凝土结构中，径向地位于壁体84外，如仅在图2上所示的。

作为变型，和如图7所示，可围绕导道8的部分81径向地布置通到壁体84的外表面841的一槽道100，这允许借助于该槽道对叶片20和其传动机件实施维护操作。衬套26的形状和冠状体27的形状因而是匹配的。

在图7上，与第一实施方式相似的元件具有相同的标记，和叶片20与一活塞21相连在一起，一杆体23延长活塞，杆体在一板体24中是滑动的，板体通过螺钉25与一本体22相连在一起。一衬套26围绕由构件20到25形成的子组件，并且在一冠状体27上借助于槽道100拧紧。一伺服马达30带动一齿轮29与板体24的一外齿243啮合，这允许控制叶片20围绕垂直于壁体84的一轴线X₂₂的角度定向，如对于第一实施方式所阐述的。

在两实施方式中，腔室C₂₂的供给压力允许沿着垂直轴线X₂₂控制活塞21和叶片20的位置。特别地，当水流在导道8中被稳定时，由于水在朝向导道8的活塞21的面23上的压力，可不对腔室C₂₂供给承压水，以使得叶片20相对于壁体84在导道8外回缩或插入。

作为变型，每个叶片沿着其转动轴线X₂₂的位置可通过除被供给水的压力腔室外的其它部件进行控制。可例如为此使用一电伺服马达或一液压、机械或电力作动器。

活塞21、伺服马达或前述的作动器从而允许控制每个叶片20在壁体84中的嵌插，同时考虑到水流E的一表示参数，如上文所述对于叶片的角度定向而言。

上文所述的本发明在图示上以叶片20的转动轴线X₂₂垂直于壁体84的情形示出。这并不是强制性的和只需相对于壁体84固定的转动轴线X₂₂与该壁体相交。实际上，如果转动轴线X₂₂不与壁体84垂直，转动轴线与该壁体形成的锐角被选择大于45°，优选地大于75°，甚至优选地大于85°。

本发明在两实施方式以具有与每个叶片20相关联的一伺服马达示出，这允许对叶片分别地进行控制。在叶片的运动之间的同步通过单元10和对用于不同马达30的不同信号S₃的管理保证。

作为变型，可使用使叶片20相连接的机械部件，这允许保证对叶片的分组控制。可例如使用链条或一阀门系统环圈，正如其被公知用于例如对导向器61进行控制。

可设计其它的装置用于以单个的或分组的控制来保证叶片20的转动。实际上，这种转动可通过各种适合的致动器来保证，例如与一连杆相连的一转动的或线性的作动器。作动器可通过油、电流、压缩空气或水被致动。考虑到这些致动器的工作环境，使用水压作动器的解决方案是优选的。

本发明以在轴同辐流式类型的涡轮机的应用时示出。不过本发明适用于其它类型的涡轮机，如转桨式涡轮机和螺旋桨式涡轮机以及涡轮-泵。

本发明以所有叶片是可定向的——即在围绕与排送导道的壁体相交，特别地相垂直的一轴线的转动方面是活动的——的情形中示出。作为变型，仅仅某些叶片是可定向的。

根据本发明的未显示的一变型，当涡轮机的轮体配有旨在改善水流在轮体下游的导向的一尖端时，例如文献WO-A-2005/038243中已知的一尖端，可实施本发明。

上文所述的本发明在水流E的流量被使用于确定叶片20的角度定向的情形中进行描述。不过，可为此取用其它的参数，所述其它的参数尤其是设备端界的降落高度H、通过设备给送的功率P、或轮体2的转速ω。

作为变型，叶片20可具有除平坦形状之外的其它形状。

Claims (1)

1.将液力能转化为电能的转化设备（Ι），该转化设备包括液力涡轮机（1）、将强制水流（E）引向所述液力涡轮机的引水导道（5）、排送从所述液力涡轮机出离的水流的排送导道（8）、和在所述排送导道中引导水流的导引叶片（20），

其特征在于，每个导引叶片（20）在围绕与所述排送导道的壁体（84）相交的一轴线（X₂₂）的转动方面是活动的；所述转化设备包括控制所述导引叶片围绕其转动轴线的角位置（α）的控制部件（10，30）；每个在转动方面活动的导引叶片（20）在所述排送导道（8）的壁体（84）中是可回缩的；并且所述转化设备包括能够调节所述导引叶片（20）在所述壁体中嵌插的部件；并且

每个导引叶片（20）与活塞（21）相连在一起，所述活塞（21）平行于所述导引叶片的转动轴线（X₂₂），相对于在所述壁体上固定的一构件（27）滑动地安装；包括所述导引叶片和所述活塞的一子组件（20-25）以能够围绕所述导引叶片的转动轴线转动的方式被安装；并且所述子组件还包括配合部件（243），所述配合部件（243）与驱动部件（29，30）进行配合，所述驱动部件（29，30）驱动所述子组件围绕所述导引叶片的转动轴线（X₂₂）转动。

2. 根据权利要求1所述的转化设备，其特征在于，所述控制部件（10，30）能够根据所述强制水流（E）的至少一表示参数（Q，ω，H，P）固定所述导引叶片（20）的角位置（α）。

3. 根据前述权利要求中任一项所述的转化设备，其特征在于，所述或每个在转动方面活动的导引叶片（20）借由所述排送导道的内部相对于所述排送导道（8）的壁体（84）可拆卸下来。

4. 根据权利要求1或2所述的转化设备，其特征在于，所述转化设备包括槽道（100），所述槽道（100）通到所述排送导道（8）的壁体（84）的外表面（841）；并且，所述或每个导引叶片（20）借由所述槽道相对于所述壁体可拆卸下来。

5. 根据前述权利要求1或2所述的转化设备，其特征在于，每个活动的导引叶片（20）在其转动轴线（X₂₂）两侧延伸。

6. 将液力能转化为电能或机械能的转化设备（I）的控制方法，所述转化设备包括液力涡轮机（1）、将强制水流（E）引向所述液力涡轮机的引水导道（5）、排送从所述液力涡轮机出离的水流的排送导道（8）、和在排送导道中引导所述水流的至少一导引叶片（20），

其特征在于，所述控制方法包括一步骤，该步骤在于控制（S₃）在排送导道中的引导所述强制水流（E）的每个导引叶片（20）围绕与所述排送导道（8）的壁体（84）相交的一轴线（X₂₂）的角位置（α）；以及一步骤，该步骤在于控制每个活动的导引叶片（20）在所述排送导道（8）的壁体（84）中嵌插的位置；并且

通过对一腔室（C₂₂）供给或不供给来自所述引水导道（5）的承压水，来控制每个活动的导引叶片（20）在所述排送导道的壁体（84）中嵌插的位置，所述腔室布置在一本体（22）中，且由与所述导引叶片相连在一起的活塞（21）界定。

7. 根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述导引叶片（20）的角位置根据所述强制水流（E）的至少一表示参数（Q，ω，H，P）进行控制。

8. 根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，所述转化设备包括分布在所述排送导道（8）的壁体（84）上的多个导引叶片（20），并且对所述导引叶片的位置按分组的方式进行控制。

9. 根据权利要求6或7所述的控制方法，其特征在于，所述转化设备包括分布在所述排送导道（8）的壁体（84）上的多个导引叶片（20），并且对每个导引叶片的位置单个地进行控制。

10. 根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述至少一表示参数（Q，ω，H，P）是强制水流（E）的流量（Q）。