CN104121136B - 轴流式水轮机 - Google Patents

Abstract

一种轴流式水轮机，通过降低因叶轮叶片与出口环间的间隙引起的泄漏流而实现水轮机性能的提高，并降低在间隙附近发生的气蚀。具备上游侧内周面形成为圆筒面且下游侧内周面形成为球面的出口环和配置在上述出口环的内侧且外周端面形成为球面的叶轮叶片。在一实施方式中，该轴流式水轮机构成为：在叶轮子午截面上观察，当将通过上述出口环的上述圆筒面与上述球面的边界且与水轮机旋转轴正交的直线设为直线A、将直线A与上述水轮机旋转轴的交点设为交点B、将以交点B为中心使直线A朝上游侧旋转而以10度以下的角度倾斜的直线设为直线C、将直线C与上述叶轮叶片的外周端面的交点设为交点D时，上述叶轮叶片的前缘的外周端位于交点D的线上。

Description

轴流式水轮机

技术领域

本发明的实施方式涉及轴流式水轮机的叶轮(runner)的结构。

背景技术

图8中示出装备了具备代表性的轴流式水轮机亦即卡普兰(Kaplan)水轮机的水力发电站的局部剖视图(子午线剖视图)。自上游流入壳体1的水流通过固定导叶(stay vane)2、并流过用于调整流量的具有开闭功能的导流叶片(guide vane)3，到达利用主轴与发电机连结的叶轮。该水流使具有叶轮轮毂(runner boss)10以及安装于该叶轮轮毂10的多片叶轮叶片(runner vane)4的叶轮绕水轮机旋转轴5旋转，由此，发电机旋转而进行发电。从叶轮流出后的水流通过吸出管，并被朝下游或者下水库排出。卡普兰水轮机的叶轮叶片4根据流量而以叶轮叶片旋转轴6为中心旋转。

由于在叶轮叶片4与出口环(discharge ring)9之间存在间隙，因此，存在通过该间隙流动的泄漏流。对于作用于叶轮叶片4的流体力，与该泄漏流相应的量的部分无法回收，因此，当泄漏流大时损失增大。

并且，当在与水轮机旋转轴5正交的截面中观察叶轮叶片4而叶轮叶片彼此不重叠的情况下，特别是在流速快的外周侧(尖端部侧)会产生不作用于叶轮叶片4的通过流。由于该通过流、和来自于叶轮叶片4与出口环9之间的间隙的泄漏流的影响，叶轮叶片4的出口处的流速分布在尖端部侧容易发生紊流。并且，紊流在吸出管中无法充分地实现压力回复，会导致性能下降。另外，在图8中，叶轮叶片4的尖端部处的阴影4a示出因泄漏流而产生的翼面流的紊流。

图8中用双点划线示出与设计点对应的姿态的叶轮叶片4，用实线示出与大流量运转点应的姿态的叶轮叶片4。并且，在图8中，对于从叶轮叶片旋转轴6的方向观察的叶轮叶片4的外周端面7(该端面为球面)，用双点划线(标注参照标号7A)示出处于设计点的姿态的外周端面7，用实线(标注参照标号7B)示出处于大流量运转点的姿态的外周端面7。考虑到叶轮叶片4的分解、组装作业性，近年来，在几乎所有的情况下，出口环9均制作成上游侧内周面为圆筒面、下游侧内周面为球面。因而，叶轮叶片4与出口环9之间的间隙G的尺寸在上游侧大，并且，与叶轮叶片4处于设计点的姿态7A时相比，处于大流量运转点的姿态7B时的间隙G的尺寸更大。因此，上述的因泄漏流而导致的损失在大流量运转点处大，成为大流量运转点处的效率降低的主要原因。

并且，由于离心力的影响，水流不仅容易偏向外周侧(尖端部侧)，而且在外周侧流速大，因此，会产生叶轮叶片4的负压面(背面)处的压力降低。因此，在叶轮叶片4与出口环9之间存在间隙的该部位处，容易产生气蚀，容易产生腐蚀。抑制该气蚀在降低带来性能下降的损失、并实现叶轮叶片4的延长寿命化的方面是重要的。

专利文献1：JP2005－315216A

专利文献2：JPS63－112278A

发明内容

本发明所要解决的课题在于提供一种通过降低因叶轮叶片与出口环之间的间隙而引起的泄漏流而实现水轮机性能的提高、并且降低间隙附近的气蚀的产生的轴流式水轮机。

根据一个实施方式，轴流式水轮机具备：出口环，该出口环的上游侧内周面形成为圆筒面、且下游侧内周面形成为球面；以及叶轮叶片，配置在上述出口环的内侧，且外周端面形成为球面，其中，该轴流式水轮机构成为：在叶轮子午截面上观察，当将通过上述出口环的上述圆筒面与上述球面的边界、且与水轮机旋转轴正交的直线设定为直线A，将上述直线A与上述水轮机旋转轴的交点设定为交点B，将以上述交点B为中心使上述直线A朝上游侧旋转而以10度以下的角度θ倾斜的直线设定为直线C，将上述直线C与上述叶轮叶片的外周端面的交点设定为交点D时，上述叶轮叶片的前缘的外周端位于上述交点D的线上。

根据实施方式的轴流式水轮机，限制出口环的圆筒面与叶轮叶片外周端面之间的间隙的尺寸，由此，能够大幅降低因泄漏流而引起的损失。此外，能够降低因泄漏流而引起的气蚀的产生。

附图说明

图1是示出第一实施方式的叶轮子午线剖视图。

图2是示出叶轮叶片外周端前缘位置与水力损失的相关性的曲线图。

图3是示出第二实施方式的叶轮子午线剖视图以及从叶轮叶片旋转轴方向观察的向视图。

图4是示出第二实施方式的从叶轮叶片旋转轴方向观察的向视图。

图5是示出叶轮叶片外周端周向移动量与大流量运转点水力损失的相关性的曲线图。

图6是示出第三实施方式的叶轮子午线剖视图。

图7是示出叶轮叶片前缘部位弯曲量与水力损失的相关性的曲线图。

图8是示出普通的轴流式水轮机(卡普兰水轮机)的结构的局部剖视图。

标号说明

1 壳体

2 固定导叶

3 导流叶片

4 叶轮叶片

5 水轮机旋转轴

6 叶轮叶片旋转轴

7 外周端面

8 前缘

9 出口环

10 叶轮轮毂

11a、11b、12a、12b 前缘的外周端

具体实施方式

以下，参照附图对轴流式水轮机的实施方式进行说明。另外，在示出各实施方式的附图中，对与图8所示的要素相同的要素标注相同的参照标号、并省略重复说明。并且，粗箭头F表示水流(主流)。

[第一实施方式]

首先，对第一实施方式进行说明。图1示出设计点的叶轮叶片开度的叶轮子午面形状。叶轮的基本构造与现有的叶轮(图8所示的叶轮)相同，但是，本实施方式所涉及的叶轮叶片4形成为：

－在叶轮子午截面上观察，

－将通过出口环9的内周面中的、上游侧的圆筒面和下游侧的球面之间的边界9i，且与水轮机旋转轴5正交的直线设定为直线A(在水轮机为纵轴的情况下，该直线A为水平线)，

－将直线A与水轮机旋转轴5的交点设定为交点B，

－将以交点B为中心使直线A朝上游侧旋转而以10度以下的角度θ倾斜的直线设定为直线C，

－将直线C与叶轮叶片4的外周端面7(该外周端面7为球面)的交点设定为交点D时，

－叶轮叶片4的前缘8的外周端位于交点D的线上。

图2中示出当将直线A与直线C所成的角度设定为θ时、根据流动解析调查角度θ与水力损失的关系而得的结果。根据该图2可知：当角度θ超过10度时，损失急剧增加。根据发明人所进行的水流的可视化分析辨明，之所以产生这种现象是因为：当通过叶轮叶片4与出口环9之间的间隙的泄漏流的流量增大到一定程度时，泄漏流不衰减而在叶轮下游部位诱发新的流动的紊流。根据该第一实施方式，通过将角度θ限制在10度以下，限制出口环9的圆筒面与外周端面7之间的间隙的尺寸，由此能够大幅降低因泄漏流而引起的损失。此外，能够降低因泄漏流而引起的气蚀的发生。

[第二实施方式]

其次，参照图3～图5对第二实施方式进行说明。图3中在上部示出包含叶轮叶片4以及出口环9的叶轮的子午截面，在下部示出从叶轮叶片4的叶轮叶片旋转轴6的方向(图3的箭头R的方向)观察到的叶轮叶片4的外周端面7的形状。详细地说，图3的下部示出将作为球面的外周端面7朝与叶轮叶片旋转轴6垂直的平面平行投影而成的图形。

第二实施方式具备第一实施方式的所有结构。除此之外，在第二实施方式中，如图3的下部的实线、以及图4的实线所示，外周端面7配置在朝叶轮叶片4的压力面侧偏移的位置。

首先，如图3的下部的虚线、以及图4的虚线所示，在普通的现有的叶轮叶片中，从叶轮叶片的叶轮叶片旋转轴6的方向观察，叶轮叶片旋转轴6位于外周端面7的翼型的翼型中弧线CL’(参照图4)上。在该情况下，当使叶轮叶片4以叶轮叶片旋转轴6为中心从设计点的姿态(与设计点对应的角度位置)旋转到大流量运转点的姿态(与大流量运转点对应的角度位置)时，如图3的下部所示，叶轮叶片4的前缘8的外周端从以标号12a表示的位置朝上游侧移动至以标号12b表示的位置。如上所述，叶轮叶片4的外周端面7为球面、且出口环9的上游侧内周面为圆筒面，因此，伴随着这种叶轮叶片4的前缘8的外周端的移动，出口环9与叶轮叶片4的前缘8的外周端12b之间的间隙的尺寸增大。因而，在大流量运转点时，泄漏流增大。

另一方面，根据该第二实施方式，如图3的下部的实线、以及图4的实线所示，将叶轮叶片4的外周端面7配置在相对于叶轮叶片旋转轴6朝叶轮压力面侧(在图3、图4中为上方)偏移移动量T的位置。

即，如图4所示，从叶轮叶片旋转轴6的方向观察，叶轮叶片4的外周端面7的翼型的翼型中弧线CL位于相比叶轮叶片旋转轴6朝叶轮叶片4的压力面侧偏移的位置(移动量T)。通过形成为这样，连结处于设计点的姿态的叶轮叶片4的前缘8的外周端(11a、11b)和叶轮叶片旋转轴6的直线、与沿流动方向延伸的直线(在图3的下部为与水轮机旋转轴5对应的直线)所成的角度(以下称为角度φ)变小。当使叶轮叶片4以叶轮叶片旋转轴6为中心从与设计点对应的角度位置旋转到与大流量运转点对应的角度位置时，叶轮叶片4的前缘8的外周端沿着以叶轮叶片旋转轴6为中心的圆13从以标号11a表示的位置移动至以标号11b表示的位置。然而，在该第二实施方式中，与用虚线表示的现有例相比较，上述角度φ小(在图示例中，在零度附近变动)，因此，由“cos(φ+Δφ)－cosφ”决定的叶轮叶片4的前缘8的外周端在流动方向上的移动量非常小。因此，即便叶轮叶片4从设计点的姿态转变至大流量运转点的姿态，叶轮叶片4与出口环9之间的上游侧的间隙尺寸也不会极端地增加。因而，根据该第二实施方式，能够在更广的运转流量范围内更有效地降低因泄漏流而引起的损失和气蚀。

另外，若移动量T过大，则在大流量运转时叶轮叶片4与出口环9之间的下游侧的间隙尺寸过大，损失反而增加。因此，为了可靠地体现上述第二实施方式的效果，需要使叶轮叶片4的移动量T收敛在合适的范围。以下，参照图4以及图5对该点进行说明。

如前面所说明了的那样，在图4中，用实线示出将第二实施方式所涉及的叶轮叶片4位于设计点的姿态时的外周端面7朝与叶轮叶片旋转轴6垂直的平面平行投影而得的图。在图4的平面(投影平面)上，将叶轮叶片4的外周端面7的翼型的翼型中弧线CL、和通过叶轮叶片旋转轴6且与水轮机旋转轴5正交的直线的交点定义为交点P，将该交点P与叶轮叶片旋转轴6之间的距离定义为叶轮叶片4的移动量T。并且，将沿着水轮机旋转轴5的方向测定到的从叶轮叶片4的外周端面7的前缘的外周端11a到点P为止的距离设定为L1。进而，借助流动解析调查通过用移动量T除以上述距离L1而无量纲化了的移动量T/L1、和大流量运转点处的水力损失之间的关系。图5中示出调查结果。根据该图5可知，T/L1＜1.5最合适。另外，在图4中，以前缘的外周端11a位于水轮机旋转轴5的线上的方式进行描绘，但也可以位于从水轮机旋转轴5偏离的位置。

[第三实施方式]

其次，参照图6对第三实施方式进行说明。图6示出叶轮叶片4处于设计点姿态时的叶轮子午截面。该第三实施方式具备第一实施方式的所有结构，但叶轮叶片4的前缘8以朝下游侧成为凹陷的方式弯曲这点与第一实施方式不同。当像第一实施方式那样使叶轮叶片4的前缘8的外终端朝下游侧后退、且叶轮叶片4的前缘8为直线状的情况下，由于翼后掠角效应，会产生沿着叶轮叶片4的前缘8的外向流14(参照图6的(a))，该外向流会扰乱上述的泄漏流，由此导致损失增加。

根据该第三实施方式，通过将叶轮叶片4的前缘8形成为以朝下游侧成为凹陷的方式弯曲的形状，在叶轮叶片4的前缘8的外周端附近，由于翼前进角效应，产生如图6的(b)所示的内向流15，以抵消沿着叶轮叶片4的前缘8的外向流14的方式发挥作用。因此，与第一实施方式相比较，能够更有效地降低因泄漏流而引起的水流的紊流和伴随于此的损失。

另外，若前缘8的弯曲量过大，则在叶轮中央部产生的外向流14和在外周部位产生的内向流15过强，该流动自身扰乱叶轮内部流，损失反而增加。因此，为了更可靠地体现上述第三实施方式的发明的效果，需要使叶轮叶片前缘的弯曲量合适。如图7的(a)所示，在叶轮叶片4处于设计点姿态时的叶轮子午截面中，弯曲量定义成：在与连结叶轮叶片4的前缘8的内周端E和外周端D的线段16(以图7的(a)的虚线表示)正交的方向上测定到的、从上述线段到叶轮叶片4的前缘8为止的最大距离ΔY。图7的(b)中示出借助流动解析调查用该最大距离ΔY除以线段16的长度L而无量纲化后的弯曲量ΔY/L、和损失之间的关系而得的结果。根据该图7的(b)可知，“ΔY/L＜0.2”最合适。另外，也可以在该第三实施方式中加入第二实施方式的特征。

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但实施方式只不过是示例性的描述，本发明的范围不受上述实施方式的任何限定，能够在不脱离本发明的主旨的范围进行各种变更。另外，上述实施方式的特征并不限于佩尔顿冲击式水轮机，能够应用于各种形式的轴流式水轮机。

Claims (3)

1.一种轴流式水轮机，具备：出口环，该出口环的上游侧内周面形成为圆筒面，且下游侧内周面形成为球面；以及叶轮叶片，配置在所述出口环的内侧，且外周端面形成为球面，所述轴流式水轮机的特征在于，

在叶轮子午截面上观察，

当将通过所述出口环的所述圆筒面与所述球面之间的边界、且与水轮机旋转轴正交的直线设定为直线A、

将所述直线A与所述水轮机旋转轴的交点设定为交点B、

将以所述交点B为中心使所述直线A朝上游侧旋转而以10度以下的角度θ倾斜的直线设定为直线C、

将所述直线C与所述叶轮叶片的外周端面的交点设定为交点D时，

所述叶轮叶片的前缘的外周端位于所述交点D的线上，

从所述叶轮叶片的叶轮叶片旋转轴方向观察，

所述叶轮叶片的外周端面的翼型的翼型中弧线配置在相比所述叶轮叶片旋转轴朝所述叶轮叶片的压力面侧偏移的位置，

当将在所述叶轮叶片的与水轮机旋转轴正交的方向上从所述叶轮叶片旋转轴朝所述压力面侧延伸的直线与所述叶轮叶片的外周端面的翼型的所述翼型中弧线相交的点设定为点P时，将从所述叶轮叶片旋转轴到所述点P为止的距离设定为T、将沿着所述水轮机旋转轴的方向测定到的从所述翼型的前缘到所述点P为止的距离设定为L1时，以

T/L1＜1.5

的关系成立的方式配置所述叶轮叶片。

2.根据权利要求1所述的轴流式水轮机，其特征在于，

在所述叶轮子午截面上观察，所述叶轮叶片的所述前缘以朝下游侧成为凹陷的方式弯曲。

3.根据权利要求2所述的轴流式水轮机，其特征在于，

在所述叶轮子午截面上观察，

当将在与连结所述叶轮叶片的前缘的内周端和外周端的线段正交的方向上的、从所述线段到所述叶轮叶片的前缘为止的最大距离设定为△时，所述叶轮叶片的所述前缘以使得

△/L＜0.2

的关系成立的方式弯曲。