CN102401135B - 流体机械 - Google Patents

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Abstract

根据实施例的流体机械包括密封部分(31)，该密封部分由形成于构成旋转部分的转轮(12)的轮缘(15)和作为固定部分且布置为与轮缘(15)相对的密封衬垫(22)之间的环形微间隙形成。具有四边形横截形状的槽(40)圆周地形成于构成密封部分(31)的密封衬垫(22)的表面(24)上。在垂直于槽(40)的槽形成方向的横截面中，形成于槽(40)的在相对于泄漏流的流动方向的最上游侧上的侧面WU和槽(40)的在密封衬垫(22)的表面(24)的延长线上的侧面W0之间的角θ确定为15°或更大并且40°或更小。

Description

流体机械
相关申请的交叉参考
本申请基于2010年9月13日申请的日本专利申请No.2010-204824以及2011年7月25日申请的日本专利申请No.2011-162187并且要求它们的权益；这些申请的全部内容通过参考结合于此。
技术领域
这里描述的实施例总体上涉及流体机械比如轴流式(Francis)涡轮机以及轴流式泵涡轮机。
背景技术
作为流体机械，例如，具有比如水力涡轮机、泵等类型。例如，流体机械比如轴流式涡轮机具有旋转部分和固定部分，因此出现作为工作流体一部分的泄漏流流过其间的间隙。泄漏流没有与流体机械内的原动机(primemover)执行能量交换，并且泄漏损耗根据泄漏流的流速产生。因此，为了将泄漏流的流速降低为尽可能小，由最小间隙形成的密封结构用于流体机械的入口和出口的附近。
除了仅由最小化间隙构造的结构以外，这个密封结构包括如下结构，即，通道通过在构成密封部分的固定部分和旋转部分之间的间隙的一部分处从例如固定部分的密封表面上形成矩形、锯齿形或螺纹形的突起而变窄的结构，以及密封部分形成为具有多级的结构。
水力涡轮机比如轴流式涡轮使用包含泥沙的江水作为工作流体。因此，例如，通道通过由固定部分的密封表面形成突起而变窄的常规密封结构经受由于包含泥沙的江水造成突起的顶端被磨损，引起密封部分损坏的可能性，并且工作流体(江水)的泄漏流的流速增大。
附图说明
图1是示出第一实施例的水力涡轮机的一部分的经向横截面视图。
图2是示出提供至第一实施例的水力涡轮机的密封结构的经向横截面视图。
图3是以放大形式示出提供至第一实施例的水力涡轮机的密封结构的槽部分的经向横截面视图。
图4是以放大形式示出提供至第一实施例的水力涡轮机的密封结构的另一形状的槽部分的经向横截面视图。
图5是以放大形式示出提供至第二实施例的水力涡轮机的密封结构的槽部分的经向横截面视图。
图6是以放大形式示出提供至第二实施例的水力涡轮机的密封结构的另一形状的槽部分的经向横截面视图。
图7是形成于第三实施例的水力涡轮机的密封衬垫的表面上的槽如从轮缘侧面看到的平面展开图。
图8是示出提供至第四实施例的水力涡轮机的密封结构的经向横截面视图。
图9是示出图8的横截面A-A的一部分的视图。
图10是示出提供至第五实施例的水力涡轮机的密封结构的槽部分的一部分的水平横截面视图。
图11是以放大形式示出具有常规槽的密封部分的槽部分的经向横截面视图。
图12是示出通过流动的数值分析确定的损耗的视图。
图13是示出本实施例的密封部分的槽部分中的流动的状态的视图。
图14是示出常规水力涡轮机的密封部分的槽部分中的流动的状态的视图。
图15是以放大形式示出根据本实施例的密封部分的经向横截面视图。
图16是以放大形式示出常规水力涡轮机的密封部分的经向横截面视图。
图17是示出测量泄漏流的流量系数的结果的视图。
具体实施方式
在一个实施例中，由环形微间隙形成的密封部分设置于设置有多个叶片以及圆周地布置于叶片的一端处的环形元件的旋转部分与布置为与环形元件相对的固定部分之间。具有n角形状(n＝3或更大)的横截面形状的槽部分圆周地形成于环形元件的壁部分或构成密封部分的固定部分上。并且，形成于槽部分的在壁部分的壁表面的延长线上的侧面Wo与槽部分的相对于泄漏流的流动方向在最上游侧上的侧面WU之间的角θ在垂直于形成槽部分的槽形成方向的横截面中是15°或更大并且40°或更小。
本发明的实施例在下面参照附图描述。
(第一实施例)
图1是示出第一实施例的水力涡轮机10的一部分的经向横截面视图。作为用作流体机械的水力涡轮机10的示例，在下面描述轴流式(Francis-type)涡轮机。以下实施例中同样的部件部分由相同的参考标号指示，并且重复的描述将被省略或简化。
如图1中所示，轴流式转轮(Francis-typerunner)12连接至水力涡轮机10的主轴11的底端。未示出的发电机连接至主轴11的顶部。转轮12包括以预定间隔圆周地布置的多个转轮叶片13、从转轮叶片的一侧固定转轮叶片13的盘状轮周14、以及用作环形元件以从转轮叶片的另一侧固定转轮叶片13的轮缘(runnerband)15。并且，轮周14连接至主轴11。
外壳16布置于转轮12的外周边上，并且多个固定翼17圆周地布置于外壳16的内周边部分上。并且，多个导向翼18圆周地布置于固定翼17和转轮12之间。
盖19布置于转轮12上方，并且基础环(dischargering)20布置于转轮12下面。另外，连接至基础环20的导流管21布置于转轮12下面。
密封结构构造于构成旋转部分的转轮12的轮缘15与固定部分比如布置为与轮缘15相对以包围轮缘15的基础环20之间。
下面描述密封结构。
图2是示出提供至第一实施例的水力涡轮机10的密封结构的经向横截面视图。图3是以放大形式示出提供至第一实施例的水力涡轮机10的密封结构的槽部分的经向横截面视图。图4是以放大形式示出提供至第一实施例的水力涡轮机10的密封结构的另一个形状的槽部分的经向横截面视图。
如图2所示，由环形微间隙和与主通道35相通并且允许以直角从密封部分31的出口32弯曲的主流流动的环形间隙部分33形成的密封部分31构造于轮缘15和密封衬垫22之间，衬垫是形成于基础环20的表面上的固定部分以便与轮缘15相对。环形间隙部分33在这里以直角从密封部分31的出口32弯曲，但是确定为弯曲角(其表面弯曲为图2中所示密封衬垫22中的L形的部分的弯曲角)包括60至120°的范围。弯曲角确定为落入上面的范围中，因为，例如，垂直轴线型轴流式涡轮机具有在组装和拆卸时将转轮12放置于构成间隙部分33的密封衬垫22的表面23上的可能性，并且如果弯曲角不在上面的范围内，就难以将转轮12放置于表面23上，并且这是不现实的。
如图2和3中所示，水平环形槽40圆周地形成于构成密封部分31的密封衬垫22的表面24上。因而，槽40定位于密封部分31的入口34和出口32之间。
槽40在垂直于槽40的形成方向的经向横截面中具有四边形状。槽40在经向横截面中的形状不限于四边形状，而是可以是n角的形状(n＝3或更大)，比如三角形、五角形等。图4示出槽在经向横截面中是三角形的情况。
如图3中的经向横截面所示，确定形成于相对于泄漏流的流动方向(图3中箭头所示的方向)在最上游侧上的槽40的侧面WU与在密封衬垫22的表面24的延长线上的槽40的侧面W0之间的角θ在15°或更大和40°或更小的范围中。
当构造为具有在15°或更大和40°或更小的范围中的角θ时，通道横截面面积在已经流入密封部分31的泄漏流流过槽40形成于此的密封部分31的通道横截面时适度地扩展。因此，泄漏流没有与等同于侧面WU的壁表面分离，而是在沿着壁表面减速的同时扩展，并且已经流入槽40的泄漏流的部分经受由于与壁表面的碰撞、摩擦等而造成的损耗。同时，在角θ小于15°时，槽40的深度较小，并且上述效果不会发挥。并且，在角θ超过40°时，泄漏流在没有流入槽40之下流动。
在经向横截面中，可优选地构造为，在槽40的相对于泄漏流的流动方向的最下游侧上的侧面WD与侧面W0之间形成的角α为90°或更小。在角α超过90°时，停滞区域(stagnationregion)形成于等同于侧面WD的壁表面与等同于与侧面WD邻近的侧面W1的壁表面相接触的端部附近。槽40的角α的下限值在将旋转轴的方向上的长度构成为适合长度而言优选地是大约60°。
并且，当确定侧面WU在经向横截面中具有长度LWU时，优选地值LWUsinθ，即从侧面WU在槽的后面处的一端至侧面W0的距离N(从侧面WU的一端至侧面W0成直角地交叉的直线的长度)不小于轮缘15和密封衬垫22之间的微间隙的宽度M。当值LWUsinθ(距离N)确定为不小于宽度M时，泄漏流在槽40形成于此的密封部分31的通道横截面中的流速能减速至大约1/2。
如图3中所示，当确定槽40在经向横截面中具有四边形状时，优选地邻近侧面WU的侧面W1变得与侧面W0平行。同样也适用于当槽40在经向横截面中的形状具n角的形状(n＝5或更大)时。通过如上所述构造等同于侧面W1的壁表面，密封部分31的通道横截面在泄漏流沿着侧面W1流动时变得恒定，因此抑制了泄漏流与等同于侧面W1的壁表面的分离。并且，泄漏流由于与槽40中的壁表面的摩擦而造成的损耗可能增大。并且，在经向横截面中形成于侧面WU和侧面W1之间的角度ε优选地设置为大约140至170°以使得通道横截面恒定或适度地膨胀通道横截面，以便降低流速。
这里，在经向横截面中等同于侧面WU的槽40的最上游侧上的壁表面和密封衬垫22的邻近所述壁表面的表面24相接触之处的端部可形成为弧形(R部分)。通过这样构造，能防止流入所述槽40的泄漏流在等同于侧面WU的壁表面的开始位置分离。因此，部分泄露流能可靠地流入槽40，并且槽40中的损耗可能增大。
接着，在下面参照图1至图3描述工作流体在水力涡轮机10和密封部分31中的作用。
作为通过铁管从上部容器引导的工作流体的压力水流过外壳16和固定翼17并且通过流速在此受到调节的导向翼18导入转轮12。在转轮12中，引导的压力水的压力能量转换为旋转能量。转轮12在作为旋转轴的主轴11周围旋转，并且与主轴11相结合的未示出的发电机旋转从而产生电能。并且，已经流过转轮12的工作流体通过导流管21排出至下游侧的下部容器。
同时，已经在轮缘15和基础环20之间流动的泄漏流流入密封部分。在已经流入密封部分31的泄漏流流过槽40形成于此的密封部分31的通道横截面时，通道横截面面积适度地扩展。因此，泄漏流没有与等同于侧面WU的壁表面分离，而是在沿着壁表面减速的同时扩展，并且已经流入槽40的泄漏流的部分经受由于与壁表面的碰撞、摩擦等而造成的损耗。并且，已经流过槽40形成于此的通道横截面的泄漏流流过其横截面积减少的密封部分31的通道(轮缘15和密封衬垫22之间的宽度M的微间隙)。此时，流量减小，并且损耗由于收缩的流量而产生。
已经流过密封部分31的泄漏流从密封部分31的出口高速地喷射至间隙部分33，流过间隙部分33，并且被引出至主通道35。
如上所述，在具有上述预定形状的槽40形成于构成根据第一实施例的水力涡轮机10的密封部分31的通道的壁表面上时，由于摩擦等造成的损耗能在泄漏流流过槽40形成于此的通道横截面时增大。另外，已经流过槽40形成于此的通道横截面的泄漏流产生由于收缩流量而产生的损耗。因而，泄漏流在密封部分31中经受损耗，并且损耗大于在未形成槽40时产生的损耗。因此，由于在根据第一实施例的水力涡轮机10中密封部分31中的损耗较大，所以密封效果较高，泄漏流的流速能降低，并且水力涡轮机10的容积效率能得到提高。
在上面的示例中，在密封部分31的入口34和出口32之间水平且圆周地形成于密封衬垫22的表面24上的环形槽40设置为单级，但是槽40能在旋转轴的方向上以预定间隔设置为多级。并且，能获得与如上所述相同的作用和效果。
在上面的实施例中，槽40设置于作为固定部分的密封衬垫22的表面24上，但是槽40也可形成于作为构成密封部分31的旋转部分的轮缘15的表面上。并且，能获得与如上所述那些相同的作用和效果。
(第二实施例)
第二实施例的水力涡轮机100与第一实施例的水力涡轮机10的不同点在于密封部分31具有不同的槽形状，因此，仅主要描述槽的形状。
图5是以放大形式示出提供至第二实施例的水力涡轮机100的密封结构的槽部分的经向横截面视图。图6是以放大形式示出提供至第二实施例的水力涡轮机100的密封结构的另一形状的槽部分的经向横截面视图。
如图5所示，环形槽50水平且圆周地形成于构成密封部分31的密封衬垫22的表面24上。因而，槽50定位于密封部分31的入口34和出口32之间。
槽50在经向横截面中具有大致四边形形状，其具有在泄漏流的流动方向(图5中所示的箭头方向)上形成为凸曲面(curve)WU2的槽50的最上游侧。因而，第二实施例具有等同于曲面WU2的壁表面，代替等同于第一实施例的水力涡轮机10的密封部分31的槽40的侧面WU的壁表面。
如果最上游侧面在泄漏流的流动方向(图5中所示的箭头方向)上具有凸曲面WU2，槽50在经向横截面中的形状可以是大致n角的形状(n＝3或更大)，比如大致三角形，大致五角形等。图6示出槽50在经向横截面中具有大致三角形状。
优选地，曲面WU2具有不小于轮缘15和密封衬垫22之间的微间隙的宽度M的曲率半径从而在槽50的流入部分中适度地扩展通道横截面积。
在经向横截面中，优选地，从曲面WU2在槽的后面处的一端至侧面W0的距离P(以直角从曲面WU2的一端至侧面W0交叉的直线的长度)不小于轮缘15和密封衬垫22之间的微间隙的宽度M。在距离P确定为不小于宽度M时，泄漏流在槽50形成于此的密封部分31的通道横截面中的流速能减速至大约1/2。
如图5中所示，当槽50在经向横截面中的形状确定为具有大致四边形状时，优选地，邻近曲面WU2的侧面W1变得与侧面W0平行。同样也适用于当槽50在经向横截面中的形状具有n角形状(n＝5或更大)时。通过如上所述构造等同于侧面W1的壁表面，密封部分31的通道横截面在泄漏流沿着侧面W1流动时变得恒定，因此抑制泄漏流与等同于侧面W1的壁表面的分离。并且，泄漏流由于与槽50中的壁表面相摩擦造成的损耗可能增加。
如上所述，由于通道横截面积在第二实施例的水力涡轮机100的槽50的流入部分处适度地扩展，泄漏流没有与等同于曲面WU2的壁表面分离而是在沿着壁表面减速时扩展。并且，已经流入槽50的泄漏流的部分经受由于与壁表面相碰撞、摩擦等造成的损耗。因而，密封效果能通过由第二实施例的水力涡轮机100增大密封部分31中的损耗来增强。因而，泄漏流的流速能降低，并且水力涡轮机100的容积效率能得到提高。
在上面的示例中，在密封部分31的入口34和出口32之间水平且圆周地形成于密封衬垫22的表面24上的环形槽50设置为单级，但是槽50能在旋转轴的方向上以预定间隔设置为多级。并且，能获得与如上所述相同的作用和效果。
在上面的实施例中，槽50设置于作为固定部分的密封衬垫22的表面24上，但是槽50也可形成于作为构成密封部分31的旋转部分的轮缘15的表面上。并且，能获得与如上所述那些相同的作用和效果。
(第三实施例)
第三实施例的水力涡轮机101具有螺旋地形成于密封衬垫22的表面24或轮缘15的表面上的槽，代替在第一实施例的水力涡轮机10和第二实施例的水力涡轮机100中的密封部分31的环形槽40和50。
图7是从轮缘15的侧面看到的形成于第三实施例的水力涡轮机101的密封衬垫22的表面24上的槽的平面展开图。图7中所示的箭头指示旋转部分的旋转方向。
如图7中所示，槽40和50相对于水平方向和旋转部分的旋转方向以角度β向下倾斜并且在旋转轴的方向上螺旋地形成于密封衬垫22的表面24上。角度β设置为大于0°，并且考虑到泄漏流的流动的影响优选地设置为大约10至45°。
当槽40和50在旋转轴的方向上以预定间隔设置为至少一级是适合的，并且也可如图7中所示在旋转轴的方向上设置为多级。
在这个示例中，槽40和50形成于密封衬垫22的表面24上，但是槽40和50也可形成于作为旋转部分的轮缘15的表面上。即使当槽40和50形成于轮缘14的表面24上时，槽40和50形成为相对于旋转部分的水平方向和旋转方向以角度β向下倾斜，类似于槽40和50形成于密封衬垫22的表面24上。并且，槽40和50的形状类似于上面第一和第二实施例中所描述的槽40和50的形状。即，第三实施例所示的槽在与角度β的倾斜方向(槽形成方向)垂直的横截面中的形状类似于第一和第二实施例中描述的槽在经向横截面中的形状。
还构造为槽40和50的上游侧上的端部定位于密封部分31的出口32的侧面上而不是入口34的侧面上，并且槽40和50的下游侧上的端部定位于密封部分31的入口34的侧面上而不是出口32的侧面上。因此，泄漏流没有从密封部分31的上游侧直接流入槽40和50，同时泄漏流没有从槽40和50直接流入间隙部分33。
这里，泄漏流流过密封部分31同时由于轮缘15的表面上的摩擦的影响而打漩。例如，在槽40如在第一实施例中水平地形成时，在沿着泄漏流的流动方向看时，泄漏流相对于侧面W0的实际角度变得不大于侧面WU相对于槽40的侧面W0的角θ。并且，在槽40如在第三实施例中相对于旋转部分的水平方向和旋转方向以角度β向下倾斜时，泄漏流相对于侧面W0的实际角度变得小于在上述槽40水平地形成时的情况下的角度。因此，在泄漏流流入槽40和50时，其没有与等同于侧面W0和曲面WU2的壁表面分离而是在沿着壁表面减速时扩展。并且，已经流入槽40和50的泄漏流的部分经受由于与壁表面的碰撞和摩擦等而造成的损耗。因而，密封效果能通过由第三实施例的水力涡轮机101增大密封部分31中的损耗来得到增强。因此，泄漏流的流速能降低，并且水力涡轮机101的容积效率能得到提高。
(第四实施例)
第四实施例的水力涡轮机102在旋转轴的方向上在密封衬垫22的表面24或轮缘15的表面上具有槽。
图8是示出提供至根据本发明第四实施例的水力涡轮机102的密封结构的经向横截面视图。图9是示出图8的横截面A-A的一部分的视图。
如图8和图9中所示，由环形微间隙和环形间隙部分33形成的密封部分(在该处以直角从密封部分31的出口32弯曲的干流流动并且与主通道35相通)构造于构成旋转部分的转轮12的轮缘15与作为固定部分布置于基础环20的表面上以便与轮缘15相对的密封衬垫22之间。
并且，槽60在旋转轴的方向上形成于构成密封部分31的密封衬垫22的表面24上。如图8中所示，其构造为使得槽60的上游侧上的端部定位于密封部分31的出口32的侧面上而不是入口34的侧面上，并且槽60的下游侧上的端部定位于密封部分31的入口34的侧面上而不是出口32的侧面上。因而，泄漏流没有从密封部分31的上游侧直接流入槽60，同时泄漏流没有从槽60直接流入间隙部分33。
如图9中所示，槽60具有大致四边形状，其形成为在水平横截面上沿着密封衬垫22的表面24具有曲面Z0以及三个侧面ZU、ZD和Z1。槽60在水平横截面中的形状不限于大致四边形状，而是可以是形成为具有曲面Z0和两个侧面ZU和ZD的大致三角形，或形成为具有曲面Z0和四个或更多侧面的多边形。并且，槽60适合地是至少一个圆周地形成并且可如图9中所示以预定间隔圆周地设置为多级。
如图9的水平横截面所示，其构造为，形成槽60在相对于泄漏流的流动方向(图9中箭头的方向)在最上游侧上的侧面ZU与端部在侧面ZU的上游侧上与曲面Z0交点处对曲面Z0的切线之间的角γ在15°或更大并且40°或更小的范围。
在其构造为角度γ处于15°或更大并且40°或更小的范围内时，通道横截面积在已经流入密封部分31的泄漏流流过槽60形成于此的密封部分31的通道横截面时适度地扩展。因此，泄漏流不会与等同于侧面ZU的壁表面分离而是在沿着壁表面减速时扩展，并且已经流入槽60的泄漏流的部分经受由于与壁表面的碰撞、摩擦等造成的损耗。在角度γ小于15°时，槽60的深度较小，并且上述效果不能实现。并且，在角度γ超过40°时，泄漏流在没有进入槽60之下流过。
并且，在水平横截面的槽60中，其优选地构造为形成于相对于泄漏流的流动方向在最下游侧上的侧面ZD与在侧面ZD的下游侧处的端部和曲面Z0的交叉点处对曲面Z0的切线之间的角度δ变成90°或更小。在角度δ超过90°时，停滞区域形成于等同于侧面ZD的壁表面与等同于邻近侧面ZD的侧面Z1的壁表面相接触的端部附近。优选地，角度δ的下限值就槽60在圆周方向上的长度(即，等于曲面Z0的长度)确定为适当的而言确定为大约60°。
当侧面ZU的长度在水平横截面中确定为LZU时，优选地从侧面ZU在槽的后面处的一端至曲面Z0画出的垂线的长度Q不小于轮缘15和密封衬垫22之间的微间隙的宽度M。在垂线的长度Q确定为不小于宽度M时，泄漏流在槽60形成于此的密封部分31的通道横截面中的流速能减速至大约1/2。
当槽60在水平横截面中的形状确定为大致四边形状时，邻近侧面ZU的侧面Z1可形成为变成与曲面Z0同心的曲面。通过这样构造，在泄漏流沿着变与曲面Z0同心的曲面流动时，密封部分31的通道横截面变得恒定，并且抑制了泄漏流与等同于这个曲面的壁表面分离。并且，泄漏流由于与槽60中的壁表面相摩擦造成的损耗可能增大。
这里，在该处槽60的最上游侧面上的等同于水平横截面中的侧面ZU的壁表面与密封衬垫22的邻近壁表面的表面24相接触的端部可形成为弧形(R部分)。通过这样构造，能防止流入槽60的泄漏流与等同于侧面ZU的壁表面的开始位置分离。因此，泄漏流的部分能可靠地流入槽60，并且在槽60中的损耗可能增大。
如上所述，当具有上述预定形状的槽60形成于构成根据第四实施例的水力涡轮机102的密封部分31的通道的壁表面上时，在泄漏流流过槽60形成于此的通道横截面时由于摩擦等造成的损耗增大。另外，已经流过槽60形成于此的通道横截面的泄漏流已经产生由于收缩流量造成的损耗。因而，泄漏流在密封部分31中经受损耗，并且损耗大于在槽60未形成时产生的损耗。因此，由于在根据第四实施例的水力涡轮机102中密封部分31中的损耗较大，密封效果较高，泄漏流的流速能降低，并且水力涡轮机102的容积效率能得到提高。
在上面的示例中，槽60设置于作为固定部分的密封衬垫22的表面24上，但是槽60可形成于作为构成密封部分31的旋转部分的轮缘15的表面上。并且，在这里的示例中，槽60构造为沿着旋转轴的方向具有连续槽结构，但是槽60可沿着旋转轴的方向间断地设置，即，多个槽60可沿着旋转轴的方向以预定间隔设置。在上面的示例中，也能获得与上面描述的那些相同的作用和效果。
(第五实施例)
第五实施例的水力涡轮机103与第四实施例的水力涡轮机102的不同点在于密封部分31具有不同的槽形状。因此，下面主要描述槽形状。
图10是示出提供至第五实施例的水力涡轮机102的密封结构的槽部分的一部分的水平横截面。
如图10所示，槽70在构成密封部分31的密封衬垫22的表面24上沿着旋转轴的方向形成。并且，其构造为使得槽70的上游侧上的端部定位于密封部分的出口32的侧面上(参见图8)而不是入口34的侧面上(参见图8)，并且槽70的下游侧上的端部定位于密封部分31的入口34的侧面上而不是出口32的侧面上。
槽70在水平横截面中具有大致四边形状，其相对于泄漏流在槽70中的流动方向(图10中示出的箭头的方向)具有由凸曲面ZU2构成的最上游侧。因而，第五实施例具有等同于曲面ZU2的壁表面，代替等同于第四实施例的水力涡轮机102的密封部分31的槽60的侧面ZU的壁表面。
如果最上游侧在泄漏流的流动方向上(图10中所示的箭头方向)具有凸曲面ZU2，槽70在水平横截面中的形状可以是大致三角形、大致五角形等。
优选地曲面ZU2具有不小于轮缘15与密封衬垫22之间的微间隙的宽度M的曲率半径，以在槽70的流入部分处适度地扩展通道横截面积。
在水平横截面中，优选地从曲面ZU2在槽的后面处的一端至曲面Z0画出的垂线的长度R不小于轮缘15和密封衬垫22之间的微间隙的宽度M。在垂线的长度R确定为不小于宽度M时，泄漏流在槽70形成于此的密封部分31的通道横截面中的流速能减速至大约1/2。
当槽70在水平横截面中确定为具有大致四边形状时，邻近曲面ZU2的侧面Z1可形成为变成与曲面Z0同心的曲面。通过这样构造，在泄漏流沿着变成与曲面Z0同心的曲面流动时，密封部分31的通道横截面变得恒定，并且抑制了泄漏流与等同于这个曲面的壁表面分离。因此，泄漏流由于与槽60中的壁表面相摩擦而造成的损耗可能增大。
如上所述，由于通道横截面在根据第五实施例的水力涡轮机103的槽70的流入部分处适度地扩展，所以泄漏流不会与等同于曲面ZU2的壁表面分离，而是在沿着壁表面减速时扩展。并且，已经流入槽70的泄漏流的部分经受由于与壁表面碰撞、摩擦等造成的损耗。因而，密封效果能通过由第五实施例的水力涡轮机103增大密封部分31中的损耗来增强。因此，泄漏流的流速能降低，并且水力涡轮机103的容积效率能得到提高。
在上面的示例中，槽70设置于作为固定部分的密封衬垫22的表面24上，但是槽70可形成于作为构成密封部分31的旋转部分的轮缘15的表面上。在上面的示例中，槽70构造为沿着旋转轴的方向具有连续槽结构，但是槽70可沿着旋转轴的方向间断地设置，即，多个槽70可沿着旋转轴的方向以预定间隔设置。在上面的示例中，也能获得与上面描述的那些相同的作用和效果。
(损耗的计算)
下面描述的是，损耗可能通过在构成密封部分31的通道的壁表面上形成具有上述预定形状的槽来增大。
为了计算损耗，具有槽40的密封部分31(参见图3)(规格1)、具有常规槽的密封部分(规格2)、以及不具有提供给第一实施例的水力涡轮机10的槽的密封部分(规格3)经受流量的数值分析以确定损耗。
图11是以放大形式示出具有常规槽的密封部分的槽部分的经向横截面。在图11中所示的常规密封部分中，水平环形槽80圆周地形成于构成密封部分31的密封衬垫22的表面24上。槽80在垂直于槽80的形成方向的经向横截面上形成为矩形(长方形状)。由于规格3不具有槽，密封部分由形成于轮缘15和密封衬垫22之间的环形微间隙构成。确定为规格1至规格3具有相同的结构，仅是槽部分具有不同结构除外。并且，对流量执行数值分析。
图12是示出通过流量的数值分析确定的损耗。从图12中看到，根据第一实施例的规格1中的损耗大于规格2和规格3。尽管未示出但是本发明的其他实施例的密封部分经受如上的相同的流量数值分析以计算损耗。发现损耗大于规格2和规格3中的损耗。
(流量的计算)
检查根据本实施例的密封部分的槽中的流量状况。并且，为了比较，检查常规水力涡轮机的密封部分的槽中的流量状况。流量状况通过在水力涡轮机的稳定操作状态之下的流量数值分析来确定。
作为根据本实施例的密封部分的槽，图3中所示的槽40确定为基本形状，槽40在经向横截面中的形状确定为四边形，并且邻近侧面WU的侧面W1确定为平行于侧面W0。并且，形成于侧面WU和侧面W0之间的角θ确定为30°，并且形成于侧面WD和侧面W0之间的角α确定为90°。同时，常规水力涡轮机的密封部分中的槽40在经向横截面中的形状确定为矩形。
图13是示出实施例的密封部分的槽部分中的流量状况的视图。图14是示出常规水力涡轮机的密封部分的槽部分中的流量状况的视图。上面的结果示出速度矢量在圆柱形坐标系统中速度分量之中的两个分量，圆周方向上的速度分量除外。
如图13所示，能看到，在根据实施例的密封部分的槽中，泄漏流的部分在逐渐地减速时沿着槽中的壁表面扩展。还看到，流量变小以在槽上方的区域处，即流过密封部分的流量和来自槽内部的泄漏流汇合在一起的部分处，变成收缩流量。
同时，如图14中看到的，泄漏流基本上没有进入常规水力涡轮机的密封部分中的槽，并且具有减慢速度的涡流通过由于泄漏流流过密封部分造成的剪切力形成于槽中。
(泄漏流的流量系数的计算)
计算根据实施例的密封部分中的泄漏流的流量系数。并且，为了比较，还计算常规水力涡轮机的密封部分中的泄漏流的流量系数。
图15是以放大的形式示出根据实施例的密封部分的经向横截面的视图。图16是以放大的形式示出常规水力涡轮机的密封部分的经向横截面的视图。
如图15所示，具有上述用于流量计算的形状的槽在根据实施例的密封部分中在旋转轴的方向上以多级(19级)形成。并且，如图16所示，确定常规水力涡轮机的密封部分构造为具有三级的密封结构部分。
图17是示出测量泄漏流的流量系数的结果的视图。水平轴线指示速度因数nED(1.3.3.12，IEC60193-1999)，其由以下等式(1)定义。垂直轴线指示泄漏流的流量系数QED(1.3.3.12，IEC60193-1999)，其由以下等式(2)定义。
nED＝n×D/E0.5...等式(1)
QED＝Q/(D2×E0.5)...等式(2)
这里，D指示转轮的出口直径，其确定为旋转部分的作为其代表性尺寸的外径，n指示旋转部分的转速，Q指示泄漏流的容积流速，并且E指示比水能，其是泄漏流的每单元质量的水能。并且，E由以下等式(3)定义。
E＝g×H...等式(3)
这里，g指示重力加速度，并且H指示净水头。
发现，如图13所示，根据常规水力涡轮机的密封方法，泄漏流的排放因数随着速度因数增大而降低，但是根据本实施例的泄漏流的流量系数不会显著地改变。还发现，根据本实施例，与常规水力涡轮机的密封方法相比，泄漏流的流量系数较小，泄漏流的流速降低。
根据上述实施例，密封部分中的损耗较大，所以密封效果较高，泄漏流的流速能降低，并且水力涡轮机的容积效率能得到提高。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅是以示例的方式给出，而不是要限制本发明的范围。实际上，这里描述的新颖实施例能以各种其他形式具体化；而且，这里描述的实施例的形式中的各种省略、取代和改变能在不脱离本发明的精神之下做出。从属权利要求以及它们的等同将覆盖如将落入本发明的范围和精神内的这些形式或变型。

Claims (6)

1.一种设置有密封部分的流体机械，该密封部分由设置有多个叶片和圆周地布置于叶片的一端处的环形元件的旋转部分和与环形元件相对布置的固定部分之间的环形微间隙形成，
其中构成密封部分的环形元件或固定部分的壁部分的圆周上具有至少一个槽部分，其形状形成为沿着所述壁部分的表面具有一个曲面Z0并且在水平横截面中具有至少两个侧面；并且
形成于所述槽部分的相对于在水平横截面中圆周地流动的泄漏流的流动方向在最上游侧上的侧面ZU与在侧面ZU的上游侧上的端部与曲面Z0交点处对曲面Z0的切线之间的角度γ，在15°或大于15°且40°或小于40°的范围内。
2.根据权利要求1的流体机械，其中，形成于相对于泄漏流的流动方向在最下游侧上构成槽部分的侧面ZD与在侧面ZD的下游侧上的端部与曲面Z0的交点处对曲面Z0的切线之间的角δ是90°或更小。
3.根据权利要求1的流体机械，其中，在侧面ZU的长度确定为LZU时，从侧面ZU在槽的后面处的一端至曲面Z0画出的垂线的长度不小于环形元件与固定部分之间的微间隙的宽度。
4.根据权利要求1的流体机械，其中，等同于水平横截面中的侧面ZU的槽部分的最上游侧上的壁表面与邻近最上游侧壁表面的壁部分的壁表面相接触的部分形成为弧形。
5.根据权利要求1的流体机械，其中，所述槽部分的一端定位于所述密封部分的出口侧上而不是入口侧上，并且所述槽部分的另一端定位于所述密封部分的入口侧上而不是出口侧上。
6.根据权利要求1的流体机械，其中，形成曲率半径不小于环形元件与固定部分之间的微间隙的宽度值的凸形壁表面来替代等同于侧面ZU的壁表面。
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