CN103547792A - 鳍及包括这种鳍的液压能转换装置 - Google Patents

Abstract

旨在安装成向液压机的排出管内部突出的鳍（20）。该鳍（20）包括有孔的第一面和实心的第二面。鳍(20)在第一面和第二面之间由鳍（20）自身界定空腔（C₂₀)，空腔（C₂₀)将排出管外部与第一面的孔连接。

Description

鳍及包括这种鳍的液压能转换装置

本发明涉及一种将液压能转换成电能或者机械能的装置，这种装置包括水轮机、将强制水流输送到水轮机的管道以及将离开水轮机的水流排出的管道。

对于这种由液压能产生电能或机械能的装置，其中一个困难在于溶解在排水管中的氧含量的控制。出于生态考虑，含氧量不能小于不妨碍该装置下游水生环境的最低标准。

然而，含氧量随着季节交替而发生变化，因而难以控制。如此，在冬季，由于水通常来自融雪，水倾向于富含氧。相反，在夏季，水常常停滞在装置的上游并具有相比于最低标准通常过低的溶解氧含量。

美国专利US-A-2300748和US-A-4142825涉及一种液压装置，包括用于将离开涡轮机的水流排出的排出管。排出管的内部安装有中空肋骨。管道将加压空气引入中空肋骨内部。这些空气借助于肋骨上的穿孔被注入涡轮机的排水中。这些装置需要使用一种用于将压缩空气注入至肋骨内部的辅助装置。

本发明尤其着手于弥补这个不足，提出了一种旨在安装成向水力机械的排出管内部突出的鳍。

根据本发明，鳍包括有孔的第一面和实心的第二面。在第一面与第二面之间，鳍自身界定一个将排出管外部与第一面的孔连接的空腔。

根据本发明，确定鳍的角位置，使得在鳍的面向流动的一侧产生过压，在相反侧上产生负压。负压自动地通过鳍上的孔将外部的空气吸入排出管并将吸入的空气注入排出水中而不需要使用提供压缩空气的主动设备。此外，还可以通过改变鳍的角定向来改变希望溶解在经过装置的水流中的空气量。

不仅如此，鳍片还可以用来减少漩涡或者紊流的形成，漩涡或者紊流（通常被称作“火炬（torches）”）倾向于在排出管内形成并引起装置功率损失：由于本发明，考虑到从涡轮机离开的水流的任何旋转分量，可以调整鳍的定向从而能够稳定排出管中的水流。

根据本发明的有益而非必须的方面，这样的装置可能包含一个或更多的以下特征，任何技术上允许的组合也包括在内：

-鳍的第一面是平坦的。

-鳍的第二面是平坦的。

-鳍的第一面与鳍的第二面平行。

-鳍的第一面与鳍的第二面彼此相对并布置于鳍的中面的一侧与另一侧。

本发明还涉及将液压能转化为电能的装置，该装置包括水力机械、为该水力机械输送强制流动的管道、将离开水力机械的水流排出的管道以及从排出管的壁突出的构件，突出的构件各自界定空腔，该空腔连接排出管外部与形成在该突出的构件上的孔。根据本发明，该突出的构件包括至少一个根据本发明的鳍，该鳍向排出管内部突出安装，鳍能够绕与排出管的壁相交的轴线旋转运动，且该装置包括控制每个鳍关于其旋转轴线的角位置的设备。

有益而非必须地，至少一个鳍可缩回至排出管的壁，并有设备能够调整每个鳍缩回至壁中的程度。

根据以下参考附图仅通过示例性方式给出的依照其原理的装置的说明，将更好地理解本发明，且本发明的其他优点将更清楚地呈现，其中：

-图1为根据本发明的装置剖面原理示意图；

-图2为图1中细节II部分相应的放大图，以剖面示出组成图1中装置的一部分的鳍和固定该鳍的设备；

-图3是图2中鳍的更大比例的侧视图；以及

图4是沿图3中IV-IV剖线的剖视图，示出处于图1中装置的水流中的鳍。

图1示出的装置I包括混流式涡轮机1，混流式涡轮机1的叶轮2通过来自蓄水池(图未示)的强制水流E围绕垂直轴X₂转动。与叶轮2固定的轴3连接至交流发电机4，交流发电机4向电网（图未示）输送固定频率的交流电。如此，装置I将流动E的液压能转化为电能。装置I可包括数个由蓄水池供水的涡轮机1。

在一个变型中，轴3可以连接到机械组件，在这种情况下，装置I将流动E的液压能转化为机械能。

馈送管道5能够将流动E带到叶轮2处并在蓄水池与装有调节流动E的叶片61的水箱6之间延伸。

涡轮机1的下游设置管8来排出流动E并将其送回河床或者补给蓄水池的水流。排出管8有时被称作吸水管道。

设置控制单元10来具体根据供应自交流发电机4的电网的电力需求和流动E可提供的水流量来控制涡轮机1。为此，控制单元10向叶片61发送控制信号S₁，以调节进入机器的水流量，进而调节交流电动机4的输出功率以满足电网的需求。

管8包括大致垂直的上游部分81，上游部分81为截头锥形并以叶轮2的旋转轴线X₂为中心。管8还包括一个以大致水平的轴线X₈₂为中心的下游部分82。轴线X₈₂大致水平，它与水平面之间的夹角小于20°。实际上，轴线X₈₂沿流动E的方向可略微上升。弯头83将管8的部分81与部分82以90°连接。

在管8的上游部分81设有多个鳍（ailette）20，鳍20沿轴线X₂方向从上游部分81的壁84凸出。流动E的从叶轮2流出沿着壁84流动的部分，将会掠过这些鳍20。鳍20是附加的，或者说它们不形成为管8的一部分而是连接到管8。

图1是包括轴线X₂的竖直平面内的剖面图，它示出两个鳍20，但实际上鳍20的数量可大于2。根据上游部分81的直径和流动E的水流量来选择该数量。

具体如图2和图4所示，每个鳍20是中空的，包括两个平行的面对面的侧平面201与202，侧平面201与202布置在中平面P₂₀的一侧与另一侧，中平面P₂₀位于侧平面201与202之间。中平面P₂₀是鳍20的中面。每个鳍20的第一侧面201穿有数个与空腔C₂₀相通的孔200，空腔C₂₀在侧平面201与202之间，界定在鳍20的内部。每个鳍20的第二侧面202是实心的，也就是说其上没有任何孔。

每个鳍20自身界定空腔C₂₀，或者说每个空腔C₂₀完全由鳍20形成。例如，空腔C₂₀并不是由排出管8的一部分形成。

如图2中更具体显示，每个鳍20固定到活塞21上，活塞21安装在有圆形基座的圆柱本体22中，圆柱本体22的圆形基座以垂直于壁84的轴线X₂₂为中心。活塞21安装有密封件211和212，并与穿过呈圆形盘形式的板24的杆23固定，杆23能够相对于板24沿着轴线X₂₂滑动，如箭头F₁和F₂所指示的。活塞21和杆23穿有以轴线X₂₂为中心的纵向通道C₂₁，通道C₂₁将空腔C₂₀与排出管8的外部连接。因此，孔200与外部空气连通。

板24配备密封件241和242，密封件241和242与密封件211和212一同保证了相对于室C₂₂外部的流体隔离，室C₂₂径向设置在本体22内部，处于板24和活塞21之间并围绕杆23。

板24通过螺钉25固定到本体22上，图中由螺钉的轴线来表示。

室C₂₂通过图未示的管道被供应有来自管道5的水。这样能够给室C₂₂增压而有沿箭头F₂方向推动活塞21的效果，进而使鳍20相对于壁84沿着轴线X₂的方向突出。

室C₂₂中给水的压力使得活塞21和鳍20沿轴线X₂₂的位置能够被控制。活塞21和鳍20因而能够沿轴线X₂₂沿图2中箭头F₁和F₂的方向平移地移动。可以不对室C₂₂供应加压水，从而由于活塞21的面213上的水压力朝向管8转向，鳍20相对于壁84向管8外部缩回或推。

由零件20-25组成的子组件安装在衬套26内并能够围绕轴线X₂₂旋转，衬套26在相对于壁84固定的环状物27中不能活动。活塞21和鳍20因而可以围绕轴线X₂₂旋转运动。形成轴承的密封件可选地围绕本体22和板24径向布置，使得上述的子组件能够相对于衬套26旋转。

在板24的沿着轴线X₂₂相对于衬套26轴向突出的部分中，板24安装有外部径向齿243，外部径向齿243与由伺服电机30的输出轴301驱动的小齿轮29啮合。该电机通过电信号S₃由控制单元10控制。

根据从控制单元10接收的控制信号S₃，伺服电机30因而使由零件20-25组成的子组件绕轴线X₂₂旋转。该旋转改变鳍20关于轴线X₂₂的角位置。

如图3清晰地显示，每个鳍20的角位置可以通过鳍20的中平面P₂₀和包含轴线X₂₂的水平面P₂₂之间的在轴线X₂₂上方的角度α来测量。当鳍20的侧面201和202垂直时，角度α等于90°。

在运行中，希望在由排出管8中排出的水流E中溶解氧时，为了增加溶解氧的含量，有必要将鳍20沿箭头F₂的方向推出至排出管8之中，从而鳍20相对于壁84沿着轴线X₂的方向突出。此移动由控制单元10来控制。

每个鳍20的角位置α可以调整使得平面P₂₀相对于流动E倾斜，鳍20的第二面202面对流动E，如图4所示。角位置α由控制单元10控制，控制单元10向电机30发出信号S₃，以形成靠近第二面202的增压区域Z₁和靠近第一面201的负压区域Z₂。

由于区域Z₂的负压，外部空气自动被吸入空腔C₂₀并通过孔200注入流动E，如图2-4中箭头A所指示的。

鳍20的角位置α对区域Z₂中产生的负压强度有影响，并因而影响注入流动E中的空气量。

孔200的尺寸和数量由希望溶解在流动E中的气泡的尺寸和数量来确定。

有利地，鳍20可用来减少压力波动和在运行中排出管8中的紊流的形成。为此，鳍20的角度α可被调节来改变流动E，如文件FR-A-2942274所教导的。

在一个变型中，每个鳍20沿其旋转轴线X₂₂的位置可通过不同于供有水的压力室的方式来控制。

依照面201和202的几何特征，以及面201相对于面202的布置，与中平面P₂₀相对应的面不一定是平坦的。例如，当面201和面202呈横截面为圆形的柱面的一部分的形式时，面201和202的凹侧转向相同侧，中面是横截面为圆形的柱面的一部分，柱面具有在面201的半径与面202的半径之间的半径。

例如，可以使用伺服电机或者液压、机械或电气起重器。

在一个变型中，至少一个鳍20不可以被缩回。在这种情况下，希望在流动E中溶解氧时，为了不扰乱流动，这些不可缩回的鳍20的面201、202平行于流动E定向。

如图所示的上述的发明是在鳍20的旋转轴线X₂₂与壁84垂直的情况下。这不是必须的，只要使相对于壁84固定的轴线X₂₂与该壁相交即可。

本发明示出所有鳍20可以定向的情形，即围绕相交轴旋转地运动的情形，具体地该相交轴垂直于排出管84的壁84。壁在一个变型中，只有一些鳍20可以定向。除此之外，只有一些鳍20可能具有孔200。这些没有穿孔的鳍200可以用来避免紊流的形成。

本发明的每个鳍20与伺服电机连接使得各个鳍20能够单独控制的情况已经被示出。各个鳍20的运动的同步性由控制单元10及其对针对不同电机30的不同信号S₃的管理来保证。

在一个变型中，可以用机械设备将鳍20连接在一起，这提供了对鳍20的成组控制。例如，可以利用已知的链条或阀调节环，例如，来控制导流叶片61。

可以考虑其他装置来旋转鳍20，单独控制或是成组控制鳍20。实际上，这种旋转可由任何合适的致动器来提供，例如与连杆关联的旋转或线性的起重器。起重器可由油、电流、压缩空气或是水来驱动。

已示出本发明在混流式涡轮机的应用。然而，本发明还可应用于其他类型的涡轮机，例如卡普兰涡轮机、螺旋式涡轮机，以及泵涡轮机。

Claims (8)

1.旨在安装成向水力机械（1）的排出管（8）内部突出的鳍（20），其特征在于，所述鳍（20）包括第一面（201）和实心的第二面（202），所述第一面（201）包括孔（200），所述鳍(20)在所述第一面（201）和所述第二面（202）之间由所述鳍（20）自身界定将所述排出管（8）外部与所述第一面（201）的孔（200）连接的空腔（C₂₀)。

2.根据权利要求1所述的鳍(20)，其特征在于，所述鳍（20）的所述第一面（201）是平坦的。

3.根据上述权利要求其中一项所述的鳍（20），其特征在于，所述鳍（20）的所述第二面（202）是平坦的。

4.根据前述权利要求其中一项所述的鳍（20），其特征在于，所述鳍(20)的所述第一面（201）和所述第二面（202）平行。

5.根据前述权利要求其中一项所述的鳍（20），其特征在于，所述鳍（20）的所述第一面（201）和所述鳍（20）的所述第二面（202）相对并且布置于所述鳍（20）的中面（P₂₀）的一侧与另一侧。

6.根据前述权利要求其中一项所述的鳍（20），其特征在于，所述鳍（20）的尺寸允许所述鳍（20）绕与所述排出管（8）的壁（84）相交的轴线(X₂₂)相对于所述排出管（8）旋转。

7.一种用于将液压能转化为电能的装置（I），该装置包括水力机械（1）、向所述水力机械（1）馈送强制水流（E）的管道（5）、将离开水力机械（1）的水流（E）排出的管道（8）以及从排出管（8）的壁（84）突出的构件，所述构件各自界定将所述排出管（8）外部与设置在突出的构件上的孔（200）连接的空腔（C₂₀），所述装置（I）特征在于，所述突出构件包括至少一个根据前述权利要求其中一项所述的鳍（20），所述鳍（20）安装成向所述排出管（8）内部突出并能够绕与所述排出管（8）的壁（84）相交的轴线(X₂₂)旋转运动，且所述装置（I）包括设备（10），所述设备（10）控制每个鳍（20）关于其旋转轴线（X₂₂）的角位置（α）。

8.如权利要求7所述的装置（I），其特征在于，至少一个鳍（20）能够在所述排出管（8）的壁（84）中缩回，且设备（30）能够调节每个鳍（20）在壁（84）中缩回的程度。

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