CN103670887B

CN103670887B - 水力机械及其运转方法

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Publication number: CN103670887B
Application number: CN201310386729.2A
Authority: CN
Inventors: 黑泽贞男; 黑川敏史; 藤田崇
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-09-19
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2016-05-11
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: BR102013022865B1; BR102013022865A2; JP2014058948A; JP5956885B2; AU2013221948A1; AU2013221948B2; US9404470B2; CN103670887A; US20140079532A1

Abstract

本发明提供一种能够抑制因转轮的下游侧产生的漩涡的自转模式、伸缩模式引起的水压波动的水力机械及其运转方法。根据一个实施方式，水力机械具备将压力水所具有的能量转换为旋转能量的转轮，所述转轮具有配置为环状的多个叶片、从上侧与所述叶片连接且在所述叶片所包围的位置具有下端面的上冠、从下侧与所述叶片连接的下环。而且，所述机械具有将所述转轮的旋转能量传递给发电机的主轴和位于所述转轮的下游且流入有对所述转轮进行了驱动的水的吸出管。另外，所述机械具有柱状构件，所述柱状构件在所述上冠的下方配置在所述主轴的旋转轴上，具有比所述上冠的下端面的直径小的直径。

Description

水力机械及其运转方法

技术领域

本发明的实施方式涉及水力机械及其运转方法。

背景技术

图7是表示以往的水力机械的结构的剖视图。图7的水力机械相当于法兰西斯水轮机。

在图7的水力机械中，由蜗壳1、固定导叶2和座环3形成流路的一部分，该蜗壳1用于引导来自上游的压力水，该固定导叶2配置在蜗壳1的内周侧且对来自蜗壳1的水进行整流，该座环3从上下夹持固定导叶2。另外，图7的水力机械构成为，将在该流路中流动的水流向导叶4和转轮5引导，该导叶4配置在座环3的内周侧，作为流量调整用可动叶，该转轮5将压力水所具有的能量转换为旋转能量。

转轮5具有：多个叶片5a，配置为环状；上冠5b，从上侧与上述叶片5a连接，具有环形形状，并与主轴9连接；下环5c，从下侧与上述叶片5a连接，具有环形形状；以及泄水锥5d，设置在上冠5b的下端。转轮5容纳在上罩（cover）6和下罩7之间。对转轮5进行了驱动的水被向位于转轮5的下游的吸出管8排出，并且经由吸出管8被向排水路排出。另外，主轴9与发电机10的转子轴连接，通过将转轮5的旋转能量传递给发电机10，来向发电机10供给用于发电的驱动力。

通常，转轮5的叶片5a被固定，在使水力机械的输出变化时，使可动的导叶4的开度变化来进行流量调整。因此，即便由于水坝的水位降低等而使向转轮5流入的水流的流入角度变化，也由于不能够使转轮5的叶片5a可动，所以会产生转轮5无法将水流的能量全部都转换的状况，结果，向转轮5的出口侧流出回旋流。尤其，在小流量的部分负载运转时，此现象显著，在转轮5的出口附近的吸出管8内产生因回旋流引起的大的螺旋状漩涡11。在该漩涡11的中心部压力显著下降，出现被水蒸气和游离空气充满的空心。该气泡化的漩涡11在吸出管8内部来回震动，从而产生水压波动。

图8示出这样的水压波动和流量的关系。图8是表示以往的水力机械的水压波动特性的坐标图。根据图8可知，在小于额定流量的区域存在水压波动变大的2个区域12、13。因此，如果由于水坝的水位降低等而使流量变为低于额定流量，成为区域12、13内的流量，则产生大的水压波动。

区域12的水压波动的大小依存于漩涡11的强度，根据成为漩涡11的原因的回旋流的特性可知，在额定流量的大约一半的流量附近变为最大。

相对于此，根据至今的可视化研究可知，如图9所示，区域13的水压波动是漩涡11的截面形状为椭圆14且相对螺旋轴自转的自转模式和漩涡11的产生区域整体在上下方向上伸缩的伸缩模式的合成。图9是用于说明自转模式和伸缩模式的俯视图和剖视图。

另外，通过最近的基于液流分析的现象分析推定出，成为区域13的水压波动的原因的椭圆截面的螺旋漩涡11形成为图10所示的形态的椭圆截面的螺旋漩涡11。图10是用于说明椭圆截面的螺旋漩涡11的生成原理的剖视图和侧视图。图10（b）是图10（a）的区域15的侧视图，示出泄水锥5d的筒状的壁面。

如图10（b）所示，在泄水锥5d的壁面附近的流动位置，泄水锥5d的壁面的倾斜所引起的离心力16和主流方向的动压力17成为主要的流体力，但是，在上述的区域13，两流体力平衡，形成局部的再循环区域18。再循环区域18以在泄水锥5d的壁面附近被主流按压的状态来形成，因此，成为椭圆状的再循环区域18。该再循环区域18向转轮5的下游区流下，成为椭圆截面的螺旋漩涡11。

另外，如图11所示，漩涡11的产生区域整体在上下方向伸缩的伸缩模式是由于因转轮5的出口流的动压而要使漩涡11向下游侧伸展的力19与因吸出管8的压力恢复效果而要使漩涡11向上游侧返回的力20的平衡作用而引起的。图11是用于说明伸缩模式的生成原理的剖视图。

现有技術文献

专利文献

专利文献1：特许第2598120号公报

专利文献2：特许第2592508号公报

专利文献3：特开2001-165024号公报

作为抑制区域12的水压波动的方法，提出过为了抑制回旋流而在吸出管8的内壁安装突起的凸片的方法，或者为了使漩涡11稳定化而向吸出管8内供气的方法。作为供气的方法的例子，列举出从上罩6强制地供气的方法、从贯通吸出管8的内壁的供气管供气的方法、使主轴9内中空而从主轴9内向转轮5的下方供气的方法等。另一方面，关于区域13的水压波动，在通过最近的可视化研究也发现过，但是没有提出有效抑制水压波动的方法。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种能够抑制在转轮的下游侧产生的因漩涡的自转模式和伸缩模式而引起的水压波动的水力机械及其运转方法。

本实施方式的水力机械，具有：转轮，具备配置为环状的多个叶片、从上侧与所述叶片连接且在被所述叶片包围的位置具有下端面的上冠、以及从下侧与所述叶片连接的下环，该转轮将压力水所具有的能量转换为旋转能量；主轴，将所述转轮的旋转能量传递给发电机；吸出管，位于所述转轮的下游，对所述转轮进行了驱动的水流入该吸出管；以及柱状构件，在所述上冠的下方配置在所述主轴的旋转轴上，具有比所述上冠的下端面的直径小的直径。

另外，本实施方式的水力机械的运转方法，通过转轮将压力水所具有的能量转换为旋转能量，该转轮具备配置为环状的多个叶片、从上侧与所述叶片连接且在被所述叶片包围的位置具有下端面且与主轴连接的上冠、从下侧与所述叶片连接的下环，并且在所述上冠的下方，在所述主轴的旋转轴上配置具有比所述上冠的下端面的直径小的直径的柱状构件，通过所述主轴将所述转轮的旋转能量传递给发电机，将对所述转轮进行了驱动的水向位于所述转轮的下游的吸出管排出。

根据实施方式的水力机械及水力机械的运转方法，能够抑制因漩涡的自转模式、伸缩模式引起的水压波动。

附图说明

图1是表示第一实施方式的水力机械的结构的剖视图。

图2是表示第一实施方式的LC/DE的值与水压波动振幅之间的关系的坐标图，以及用于说明LC、DE的剖视图。

图3是表示第二实施方式的水力机械的结构的剖视图。

图4是表示第三实施方式的水力机械的结构的剖视图。

图5是表示第四实施方式的D0/DE的值与水压波动振幅、摩擦损失增加量之间的关系的坐标图，以及用于说明D0、DE的图。

图6是表示第五实施方式的L0/LE的值与水压波动振幅、水轮机效率降低量之间的关系的坐标图，以及用于说明L0、LE的图。

图7是表示以往的水力机械的结构的剖视图。

图8是表示以往的水力机械的水压波动特性的坐标图。

图9是用于说明自转模式和伸缩模式的俯视图和剖视图。

图10是用于说明椭圆截面的螺旋漩涡的生成原理的剖视图和侧视图。

图11是用于说明伸缩模式的生成原理的剖视图。

附图标记说明

1：蜗壳，2：固定导叶，3：座环，4：导叶，

5：转轮，5a：叶片，5b：上冠，5c：下环，5d：泄水锥，

6：上罩，7：下罩，8：吸出管，9：主轴，10：发电机，

11：螺旋漩涡，12、13：水压波动增加区域，14：椭圆，15：区域，

16：离心力，17：动压力，18：再循环区域，19，20：力，

21：柱状构件，22：支柱，23：供气管，24：压力传感器

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的实施方式。

（第一实施方式）

图1是表示第一实施方式的水力机械的结构的剖视图。图1的水力机械相当于法兰西斯水轮机。

图1的水力机械与图7的水力机械相同，具有蜗壳1、固定导叶2、座环3、导叶4、转轮5、上罩6、下罩7、吸出管8、主轴9以及发电机10。

本实施方式的转轮5具有多个叶片5a、上冠5b以及下环5c，但是不具有泄水锥。结果，本实施方式的上冠5b在被叶片5a包围的位置具有向转轮5的下游侧露出的下端面S。

本实施方式的上冠5b在下端面S的上部具有空心。上冠5b可以不具有这样的空心，但是通过在上冠5b设置这样的空心，能够使上冠5b轻量化，使转轮5变得易于旋转。

此外，在本实施方式中，上冠5b的下端面S成为实心的平坦面，但是如后述那样，可以为中空的平坦面。因此，在本实施方式中，上述的空心不贯通上冠5b，但是可以贯通上冠5b。

图1的水力机械还具有圆柱形的柱状构件21。柱状构件21在上冠5b的下方配置在主轴9的旋转轴X上，具有比上冠5b的下端面S的直径DC小的直径D0。柱状构件21安装在上冠5b的下端面S。因此，柱状构件21与转轮5和主轴9一同旋转。

此外，柱状构件21是能够确定直径D0的形状即可，可以具有圆柱形以外的形状。柱状构件21例如也可以具有在圆柱构件上设置突起、凹陷、槽、贯通孔等的形状。但是，本实施方式的柱状构件21由于与转轮5和主轴9一同旋转，因此优选不具有妨碍水流的突起或凹陷。此外，在后述的实施方式中，说明圆管形的柱状构件。

接着，说明第一实施方式的效果。

如上所述，在本实施方式中，柱状构件21在上冠5b的下方配置在主轴9的旋转轴X上。配置有柱状构件21的场所与图7所示的漩涡11的产生区域是重叠的。另外，柱状构件21延伸的方向与漩涡11的产生区域整体伸缩的伸缩模式相同，为上下方向。因此，柱状构件21作为漩涡11的伸缩模式的阻碍而起作用。因此，根据本实施方式，能够抑制因图10（b）所示的漩涡11的伸缩模式引起的水压波动。

另外，在本实施方式中，由于没有设置图7所示的泄水锥5d，所以不会产生作为漩涡11的截面形状成为椭圆14的原因的、椭圆状的再循环区域18，因此，抑制漩涡11相对于螺旋轴自转的自转模式的产生。另外，代替泄水锥设置的柱状构件21具有比上冠5b的下端面S的直径DC小的直径D0，因此不易成为图10（b）所示的椭圆状的再循环区域18的产生原因。因此，根据本实施方式，能够抑制因漩涡11的自转模式引起的水压波动。

这样，根据本实施方式，能够抑制因漩涡的自转模式和伸缩模式引起的水压波动。

图2（a）是用于说明第一实施方式的LC/DE的值与水压波动振幅之间的关系的坐标图，图2（b）是用于说明水力机械的LC、DE的剖视图。

图2（b）是表示与图1所示的第一实施方式的水力机械相同的结构的剖视图。附图标记A表示叶片5a与上冠5b的连接部的内端。附图标记B表示叶片5a与下环5c的连接部的内端。附图标记C表示下环5c的出口端。另外，附图标记LC表示叶片5a和上冠5b的连接部的内端A与上冠5b的下端面S之间的轴向距离（高度）。另外，附图标记DE表示转轮5的出口直径（下环5c的出口端C处的转轮5的直径）。

在本实施方式中，为了有效发挥对水压波动的抑制作用，优选将轴向距离LC设定为适当的值。其理由为，若轴向距离LC过长，则在上冠5b的侧壁附近同样会产生以往在泄水锥5d的侧壁附近产生的椭圆状的再循环区域18。因此，优选将轴向距离LC设定为短的值。

因此，根据模型试验，测定了用转轮出口直径DE使轴向距离LC无量纲化而得的LC/DE（LC和DE的比率）与水压波动振幅之间的关系。图2（a）示出其测定结果。如图2（a）所示，大概在LC/DE大于0.08时水压波动振幅的值急剧增加。因此，优选LC/DE的值设定得小于0.08（LC/DE＜0.08）。

如上所述，在本实施方式中，将具有比上冠5b的下端面S的直径DC小的直径D0的柱状构件21，在上冠5b的下方配置在主轴9的旋转轴X上。因此，根据本实施方式，能够抑制因漩涡的自转模式或伸缩模式引起的水压波动。

（第二实施方式）

图3是表示第二实施方式的水力机械的结构的剖视图。

在本实施方式中，图3的上冠5b的下端面S为中空的平坦面，具有环形的形状。另外，在本实施方式中，柱状构件21经由支柱22安装在吸出管8的壁面上。具体地说，柱状构件21经由支柱22安装在吸出管8的比弯曲部位靠上游侧的部分（上部吸出管）的壁面。因此，本实施方式的柱状构件21不与转轮5和主轴9共同旋转，而静止不动。

此外，在本实施方式中，支柱22的个数为2个，但是只要是能够支撑柱状构件21的个数即可，可以是任意个数。另外，上冠5b的下端面S可以不是中空的平坦面，而是与第一实施方式相同的实心的平坦面。

在本实施方式中，与第一实施方式相同，将具有比上冠5b的下端面S的直径DC小的直径D0的柱状构件21，在上冠5b的下方配置在主轴9的旋转轴X上。因此，根据本实施方式，能够抑制因漩涡的自转模式、伸缩模式引起的水压波动。

此外，在本实施方式中，由于柱状构件21不是安装于转轮5而是经由支柱22安装于吸出管8，因此有利于使施加于转轮5的重量轻量化。另一方面，在第一实施方式中，因为不需要设置支柱22，所以具有能够防止出现支柱22妨碍水流的优点。

（第三实施方式）

图4是表示第三实施方式的水力机械的结构的剖视图。

在本实施方式中，图4的上冠5b的下端面S为中空的平坦面，具有环形形状。另外，本实施方式的水力机械具有：供气管23，在主轴9以及上冠5b的内侧穿过；以及压力传感器24，在转轮5的下游，对不稳定振动的产生进行检测。如箭头M所示，供气管23具有其前端部能够在上下方向伸缩的结构。另外，压力传感器24安装在吸出管8（具体地说，上部吸出管）的外壁面。

在本实施方式中，利用该供气管23来抑制图7所示的因漩涡11的自转模式或伸缩模式引起的水压波动。本实施方式的供气管23相当于上述的圆管形的柱状构件21的例子。如图4所示，本实施方式的供气管23具有比上冠5b的下端面S的直径小的直径，其前端部在上冠5b的下方配置在主轴9的旋转轴X上。

供气管23可以构成前端部能够伸缩，也可以构成不能够伸缩，但是在本实施方式中，构成前端部能够伸缩。其理由为，用于供气的供气管23的优选长度和用于抑制水压波动（具体地说，抑制因漩涡11的伸缩模式引起的水压波动）的供气管23的优选长度通常是不同的。

因此，在本实施方式中，通过压力传感器24检测水压波动引起的不稳定振动。另外，在压力传感器24检测出不稳定振动的产生时，水力机械的控制部（未图示）使供气管23的前端部从上冠5b的下端面S向下方延伸。由此，能够抑制水压波动。

如上所述，在本实施方式中，将具有比上冠5b的下端面S的直径DC小的直径D0的供气管23，在上冠5b的下方配置在主轴9的旋转轴X上。因此，根据本实施方式，与第一、第二实施方式相同，能够抑制因漩涡的自转模式或伸缩模式引起的水压波动。

此外，在本实施方式中，可以代替用于输送空气的供气管23而利用用于输送水的供水管来抑制因漩涡的自转模式或伸缩模式引起的水压波动。

（第四实施方式）

图5（a）是说明第四实施方式的D0/DE的值与水压波动振幅、摩擦损失增加量之间的关系的坐标图，图5（b）是用于说明水力机械的D0、DE的图。

图5（b）是表示第四实施方式的水力机械的结构的剖视图。在此，第四实施方式的水力机械具有与图1所示的第一实施方式的水力机械相同的结构。附图标记D0表示柱状构件21的直径。另外，附图标记DE表示转轮5的出口直径。

在本实施方式中，为了有效发挥对水压波动的抑制作用，优选将柱状构件21的直径D0设定为适当的值。其理由为，若柱状构件21的直径D0过小，则柱状构件21对漩涡11的伸缩模式的抵抗作用弱，不能够充分地抑制水压波动。另外，若柱状构件21的直径D0过大，则由于流路截面积的减小而导致流速增加，摩擦损失增加。因此，优选将柱状构件21的直径D0设定为不过小也不过大的值。

因此，根据模型试验，测定了用转轮出口直径DE使柱状构件21的直径D0无量纲化而得的D0/DE（D0除以DE的值）与水压波动振幅、摩擦损失增加量之间的关系。图5（a）表示其测定结果。如图5（a）所示，水压波动振幅的值大概在D0/DE变得小于0.02时急剧增加。另一方面，摩擦损失增加量的值大概在D0/DE变得大于0.30时急剧增加。

因此，在本实施方式中，将D0/DE的值设定为小于0.02且大于0.30（0.02＜D0/DE＜0.30）。因此，根据本实施方式，能够抑制摩擦损失的同时抑制因漩涡的自转模式、伸缩模式引起的水压波动。此外，本实施方式的设定可以适用于第二、第三实施方式。

（第五实施方式）

图6（a）是用于说明第五实施方式的L0/LE的值与水压波动振幅、水轮机效率降低量之间的关系的坐标图，图6（b）是用于说明水力机械的L0、LE的图。

图6（b）是表示第五实施方式的水力机械的结构的剖视图。在此，第五实施方式的水力机械具有图1所示的第一实施方式的水力机械相同的结构。附图标记L0表示柱状构件21的长度。另外，附图标记LE表示叶片5a和上冠5b的连接部的内端A与下环5c的出口端C之间的轴向距离。内端A和出口端C的位置参照图2。

在本实施方式中，为了有效发挥水压波动的抑制作用，优选将柱状构件21的长度L0设定为适当的值。其理由为，若柱状构件21的长度L0过短，则柱状构件21对漩涡11的伸缩模式的抵抗作用弱，不能够充分抑制水压波动。另外，若柱状构件21的长度L0过长，则在柱状构件21的侧壁产生的摩擦损失和由吸出管8的转弯液流引起的水力损失增加，水力机械的水轮机效率降低。因此，优选将柱状构件21的长度L0设定为不过短也不过长的值。

因此，根据模型试验，测定了用轴向距离LE使柱状构件21的长度L0无量纲化而得的L0/LE（L0除以LE的值）与水压波动振幅、水轮机效率降低量之间的关系。图6（a）表示其测定结果。如图6（a）所示，水压波动振幅的值大概在L0/LE小于0.3时急剧增加。另一方面，水轮机效率降低量的值大概在L0/LE大于3.0时急剧增加。

因此，在本实施方式中，将L0/LE的值设定得小于0.3且大于3.0（0.3＜L0/LE＜3.0）。因此，根据本实施方式，能够抑制水轮机效率的降低的同时抑制因漩涡的自转模式、伸缩模式引起的水压波动。此外，本实施方式的设定适用于第二～第四实施方式。

并且，根据上述的各实施方式，通过在上冠5b的下方，在主轴9的旋转轴上配置具有比上冠5b的下端面的直径小的直径的柱状构件21的转轮5，能够将压力水具有的能量转换为旋转能量。实现了如下的运转动作，即，由主轴9将该转轮5的旋转能量传递给发电机10，使对转轮5进行了驱动的水向位于转轮5的下游的吸出管8排出。

以上说明了几个实施方式，但是这些实施方式仅为例子，不用于限定发明的范围。本说明书中说明的新的机械及方法能够以其他各种方式实施。另外，对于本说明书说明的机械及方法，在不脱离发明的宗旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。附上的权利要求书及其等同的范围包括发明的范围、宗旨所包含的方式和变形例。

Claims

1.一种水力机械，其特征在于，具有：

转轮，具备配置为环状的多个叶片、从上侧与所述叶片连接且在被所述叶片包围的位置处的下端面的上部具有空心的上冠、以及从下侧与所述叶片连接的下环，该转轮将压力水所具有的能量转换为旋转能量；

主轴，将所述转轮的旋转能量传递给发电机；

吸出管，位于所述转轮的下游，对所述转轮进行了驱动的水流入该吸出管；以及

柱状构件，在所述上冠的下方配置在所述主轴的旋转轴上，具有比所述上冠的下端面S的直径DC小且比上述上冠中设置的上述空心的直径小的直径D0。

2.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，

所述柱状构件安装于所述上冠。

3.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，

所述叶片和所述上冠连接的连接部的内端与所述上冠的下端面之间的轴向距离LC相对于所述转轮的出口直径DE的比率LC/DE小于0.08。

4.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，

所述柱状构件经由支柱安装于所述吸出管。

5.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，

所述柱状构件为从所述主轴及所述上冠的内侧穿过的供气管或供水管。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的水力机械，其特征在于，

所述柱状构件的直径D0除以所述转轮的出口直径DE的值D0/DE大于0.02且小于0.30。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的水力机械，其特征在于，

所述柱状构件的长度L0除以所述叶片和所述上冠连接的连接部的内端与所述下环的出口端之间的轴向距离LE的值L0/LE大于0.3且小于3.0。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的水力机械，其特征在于，

所述上冠的下端面为实心或中空的平坦面，且向所述转轮的下游侧露出。

9.一种水力机械的运转方法，其特征在于，

通过转轮将压力水所具有的能量转换为旋转能量，该转轮具备配置为环状的多个叶片、从上侧与所述叶片连接且在被所述叶片包围的位置处的下端面的上部具有空心且与主轴连接的上冠、从下侧与所述叶片连接的下环，并且在所述上冠的下方，在所述主轴的旋转轴上配置具有比所述上冠的下端面S的直径小且比上述上冠中设置的上述空心的直径小的直径D0的柱状构件，

通过所述主轴将所述转轮的旋转能量传递给发电机，

将对所述转轮进行了驱动的水向位于所述转轮的下游的吸出管排出。