CN104234910A - 改造能量转换设备的方法和改造的能量转换设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及改造能量转换设备的方法和改造的能量转换设备。具体而言，本方法可用于改造包括法兰西斯型水泵水轮机的用于将水力能转换成电能或机械能且反之亦然的设备。水泵水轮机包括能够围绕轴线移动的叶轮、包括在各对两个相邻固定导叶之间限定第一水通过通道(C1)的固定导叶的预分送器(204)、和包括沿对在水轮机模式下操作的所述水泵水轮机给送的水流方向布置在固定导叶下游的引导导叶的分送器(206)，引导导叶在各对两个相邻引导导叶之间限定第二水通过通道(C2)。该方法包括下列步骤：减小第一水通过通道(C1)的平行于叶轮的旋转轴线获得的高度，和减小第二水通过通道(C2)的平行于叶轮的旋转轴线获得的高度。

Description

改造能量转换设备的方法和改造的能量转换设备
技术领域
本发明涉及用于改造将水力能转换成电能或机械能且反之亦然的设备的方法、和此类改造的设备。
背景技术
在将水力能转化成电能或机械能且反之亦然的领域中，已知使用法兰西斯水泵水轮机(Francis pump-turbine)。此类水泵水轮机包括叶轮，其能够围绕竖直轴线移动，且刚性地连接到驱动轴，驱动轴的旋转轴线与叶轮的旋转轴线重合。该水泵水轮机还包括分送器和预分送器，分送器由围绕叶轮布置的一组引导导叶形成，预分送器布置在蜗壳与分送器之间，且由一组固定导叶形成。在水轮机模式下，分送器布置在预分送器下游。
第一代水泵水轮机(例如，几十年前的水泵水轮机)的布局受到单纯的法兰西斯型水轮机的较强影响。
在改造期间，通常改变引导导叶而不物理地改变固定导叶，因为固定导叶有助于蜗壳的机械强度，且它们的任何改动对于实施而言是难以处理的。引导导叶的该变化主要在于改变它们的弯度(camber)。因而，固定导叶相对于沿水泵方向来自引导导叶的流而言变得过于径向。已知的是，此种冲角(incidence)不足导致不利于机器的良好性能的附加压力损失。
因此，一种解决方案在于减小固定导叶的内部几何角度，即，使其为较不径向的。该操作将使用磨削或过大尺寸设置(oversize)来实现。然而，改动预分送器的结构将存在削弱组件的机械强度的风险，且假如要求分送器内的部分的空间，则该操作将证明为较困难的。
此外，预分送器和刚性地连接到预分送器的凸缘环为埋入混凝土中的机械部分，因为它们是机器的机械大小形成方面的关键构件。这是因为它们经历较高水平的机械应力。因此，固定导叶的轮廓方面的改动将导致结构的削弱。此外，此种操作的实施将为漫长的且将为很昂贵的。
发明内容
更具体而言，本发明旨在通过提供改造法兰西斯型水泵水轮机的方法来补救这些缺陷，该方法修正水泵模式下的水流角度与固定导叶的几何角度之间的冲角的不足，而不削弱结构。
因此，本发明涉及一种改造用于将水力能转换成电能或机械能且反之亦然的方法，该设备包括法兰西斯型水泵水轮机、预分送器、和分送器，法兰西斯型水泵水轮机包括能够围绕轴线移动的叶轮，预分送器包括在各对两个相邻固定导叶之间限定第一水通过通道的固定导叶，分送器包括沿对在水轮机模式下操作的水泵水轮机给送的水流方向布置在固定导叶下游的引导导叶，引导导叶在各对两个相邻引导导叶之间限定第二水通过通道。根据本发明，该方法包括下列步骤：
a) 减小第一水通过通道的平行于叶轮的旋转轴线获得的高度，
b) 减小第二水通过通道的平行于叶轮的旋转轴线获得的高度。
由于本发明，在水泵模式下，水流在分送器出口处具有更为径向的方向。这使得流体的流动角度与固定导叶的几何角度之间的冲角得到修正，而不改动固定导叶的几何形状。
根据本发明的有利但非强制的方面，一种改造转换设备的方法可包括以任何技术上可接受的组合获得的以下特征中的一个或更多个：
- 固定导叶附接到上凸缘环与下凸缘环之间，同时步骤a)通过在各个第一通道中将偏转器的区段附接到顶部环上和/或底部环上来实施。
- 步骤b)通过改变分送器来实施，特别是通过对水泵水轮机装备分送器，分送器的通道具有平行于叶轮的旋转轴线测得的与第一通道的高度相同的高度。
- 引导导叶包括在水通过期间被润湿的两个相反表面、和与这两个相反表面等距的弦，而方法包括步骤b)之后的步骤c)，步骤c)为以一种方式调整分送器的引导导叶围绕它们的枢转轴线的旋转，使得水泵模式下的引导导叶后缘的水平处的弦的直线延长线与行进穿过该后缘的叶轮的旋转轴线的正交径向(orthoradial)方向成角度，对于水泵水轮机的相同操作点，该角度大于水泵水轮机改造之前在该直线延长线与该正交径向方向之间限定的角度。
- 叶轮包括在各对两个相邻叶片之间限定第三水通过通道的叶片，而方法包括步骤d)，步骤d)为减小第三通道的高度，第三通道的高度是在水泵水轮机在水泵模式下操作时在叶片上的流的后缘水平处获得的，且平行于叶轮的旋转轴线。
- 步骤b)通过改变叶轮来实施，特别是通过对水泵水轮机装备叶轮，在叶片的后缘处平行于叶轮旋转轴线测得的叶轮的第三通道的高度等于第一和第二通道的高度。
本发明还涉及一种用于将水力能转换成电能或机械能且反之亦然的改造的设备，该设备包括法兰西斯型水泵水轮机、预分送器和分送器，法兰西斯型水泵水轮机包括能够围绕轴线移动的叶轮，预分送器包括在各对两个相邻固定导叶之间限定第一水通过通道的固定导叶，分送器包括沿对在水轮机模式下操作的水泵水轮机给送的水流方向布置在固定导叶下游的引导导叶，引导导叶在各对两个相邻引导导叶之间限定第二水通过通道。根据本发明，该设备包括布置在各个第一通道中的下凸缘环和/或上凸缘环上的至少一个偏转器。
根据本发明的有利但非强制的方面，一种能量转换设备可包括以任何技术上可接受的组合获得的以下特征中的一个或更多个：
- 偏转器由若干区段形成，各个区段布置在第一通道中且经由附接部件附接到下凸缘环和/或上凸缘环。
- 偏转器的区段各自包括金属板。
- 偏转器的区段各自包括合成材料、混凝土或金属的质量块。
附图说明
根据参照附图的，符合其原理的改造能量转换设备的方法的实施例的模式的以下描述，本发明将更好地得到理解，且它的其它优点将更为显而易见，在附图中：
- 图1为实施本发明的改造方法之前的包括水泵水轮机的设备的轴向截面，
- 图2为图1中的框Ⅱ的详图，
- 图3为在改动了分送器的情况下沿图1中的设备的Ⅲ-Ⅲ线的局部截面；在该图中，为了图示清楚，省略水泵水轮机叶轮和混凝土块，且而在外部视图中示出蜗壳，
- 图4为图3中的框Ⅳ的更大比例视图，
- 图5为在设备的水泵水轮机已通过本发明的方法改造之后的类似图1的截面，
- 图6为图5中的框Ⅵ的详图，
- 图7为类似于图3且沿改造的水泵水轮机的图5中的Ⅶ-Ⅶ线的局部截面，
- 图8为图7中的框Ⅷ的更大比例视图。
具体实施方式
图1和图2示出改造之前的用于将水力能转换成电能或机械能的设备2。为了图示清楚，图2中一些可见的元件未在图1中示出。相反，设备2可将机械能或电能转换成水力能。设备2包括水泵水轮机20。在水轮机模式下，水泵水轮机20使用水力能以用于沿一个旋转方向驱动驱动轴201。该驱动轴201的旋转可用作用于另一个机械装置的输入，或用于驱动AC发电机以便产生电力。
在水泵模式下，水泵水轮机20的叶轮的旋转由沿相反旋转方向施加到轴201上的力引起，这导致一定量的水沿与水轮机模式下的流相反的方向位移。在说明书的其余部分中，除非另外指出，否则认为水泵水轮机20以水泵模式操作。
水泵水轮机20包括蜗壳200，其连接到未示出的管，且其由混凝土块22和24保持在适当位置。该管由来自属于水泵水轮机20的叶轮202的受迫水流横穿。该叶轮202由蜗壳200包绕，且包括叶片208，水可在叶片208间循环。当水泵水轮机20以水泵模式操作时，叶片208的后缘由2080表示。在水通过期间，叶轮202围绕与驱动轴201的旋转轴线重合的轴线Z202旋转。水的该通过由图1中的流E代表。
当水泵水轮机20以水轮机模式操作时，边缘2080构成其所属叶片的前缘。
分送器206围绕叶轮202布置。该分送器206由围绕叶轮202规则地分布的一组引导导叶2060形成。平行于轴线Z202测量的分送器206的高度由h206表示。在运行间隙附近，该高度h206实际上是引导导叶2060的高度，其在两个支承件2063与2065之间竖直地测得，引导导叶2060铰接地连接在两个支承件2063与2065之间，各自围绕平行于轴线Z202的轴线Z2060旋转。刚性地连接到引导导叶2060的称为耳轴的部件2067和2069分别安装在支承件2063和2065上，且用于控制引导导叶2060围绕轴线Z2060的旋转。
预分送器204围绕分送器206布置，即，在水轮机模式下在分送器206的上游，且在水泵模式下在其下游。预分送器204由一组固定导叶2040形成，这一组固定导叶2040围绕叶轮202的旋转轴线Z202规则地分布，且附接到下凸缘环210与上凸缘环212之间。预分送器204的平行于轴线Z202在下凸缘环210与上凸缘环212之间测得的高度(即，最小高度)由h204表示。高度h204在朝分送器206定向的各个固定导叶的边缘2046附近测得。在水泵模式下，水经过叶轮202的叶片208之间，然后经过各对两个相邻引导导叶2060之间，且最后经过各对两个相邻固定导叶2040之间。在水轮机模式下，水经过固定导叶2040之间、引导导叶2060之间，然后经过叶片208之间。具体而言，在将该操作考虑为水轮机模式下时，第一水通过通道C1限定在两个相邻固定导叶2040之间，第二水通过通道C2限定在两个相邻的引导导叶2060之间，然后第三水通过通道C3限定在叶轮202的两个相邻叶片208之间。
因此在图中的实例中，第一通道C1的数目等于固定导叶240的数目。第二通道C2的数目等于引导导叶2060的数目，且第三通道C3的数目等于叶片208的数目。在设备2包括16个固定导叶2040和16个引导导叶2060的图中的实例中，提供了16个通道C1和16个通道C2。
作为变型，固定导叶2040的数目可不同于引导导叶2060的数目。
高度h204为通道C1的高度，而高度h206为通道C2的高度。
图1和5中可见的引流管26布置在叶轮202下方。在水轮机模式下，其用于将水抽至下游，且在水泵模式下，用于将水从水槽吸上至叶轮202。
由于分送器206的引导导叶206能够各自围绕与叶轮202的旋转轴线Z202平行的竖直轴线Z2060旋转地调整，故分送器206的引导导叶2060的定向可用于调整水轮机模式下进入叶轮202的流，且因此获得水泵水轮机20的若干操作点。
图2和4示出在引导导叶2060的通道C2通过使引导导叶202各自围绕它们的竖直轴线Z2060旋转来对流打开的情况下图1至4中的设备的更大比例视图。
在改变引导导叶(主要在于改动它们的弯度)的情况下，如果仅仅实施该改变，则该途径造成分送器出口处的流动方向与引导导叶侧上的固定导叶的方向之间的冲角不足。
下面通过参照图3和4来更好地说明该冲角不足。
以下提及的全部角度都相对于关于轴线Z202的正交径向方向Uo获得。
引导导叶2060的围绕竖直轴线Z2060的旋转限定为来自叶轮的向外流E的函数。引导导叶2060处、分送器206的通道C2的出口和预分送器204的通道C1的入口处的水流的绝对速度矢量由                                               表示。如可在图4中所见，矢量具有方位分量(即，正交径向于轴线Z202)、和流出分量(即，轴线Z202的径向且离心)。
各个引导导叶2060包括在水泵水轮机20的操作期间被润湿的内表面2068A和外表面2068B。对于各个引导导叶2060，限定了与两个表面2068A和2068B等距的弦2062、和沿水泵方向的流E的后缘2064。在后缘2064的水平处，弦2062沿轴线Y2064延伸，轴线Y2064可描述为引导导叶2060的出口轴线。轴线Y2064与正交径向方向Uo形成角度A1。矢量与轴线Y2064全局地共线。
同样，固定导叶2040还包括沿水泵方向限定的前缘2046，以及内表面2048A和外表面2048B。在设备2的操作期间，表面2048A和2048B被润湿。固定导叶2040还具有弦2042，其与表面2048A和2048B等距。在前缘2046的水平处，弦2042沿轴线Y2046延伸，轴线Y2046可描述为固定导叶2040上的入口轴线，且其限定与对应的引导导叶2060的轴线Y2064的非零角度A2和与正交径向方向Uo的角度A3。
如图3和4中可见，第一代水泵水轮机具有固定导叶2040，其朝向引导导叶2060的表面2048A大致定向成沿径向形成显著的几何角度A3。实际上，参照附图，角度A3约为45°，这导致固定导叶2040的部分朝向引导导叶2060，即，从而限定前缘，以相对于旋转轴线Z202的大致径向地定向。
在改变引导导叶的情况下(这主要在于改动它们的弯度)，正交径向于轴线Z202的方位分量的模(norm)增大，而轴线Z202的径向的且离心的流出分量的模得到保持。
水流方向的角度A1(即，轴线Y2064与方向Uo之间的角度)因此减小。因此，水流角度A1与固定导叶2040的几何角度A3之间的对应不足。这导致图3和4中由在固定导叶的入口轴线Y2046与面对的引导导叶2060的出口轴线Y2064之间获得的非零角度A2示出的冲角的不足。
本发明提供了一种用于修正这种冲角不足的改造法兰西斯型水泵水轮机的方法。图5至8示出了改造的设备2。改造中涉及的元件带有它们原来的符号，后接撇号(')，而改造中未涉及的元件带有相同的符号。为了图示清楚，图6中可见的一些元件在图5中未示出。
改造方法包括如下步骤，其在于在下凸缘环210上增加偏转器214。更确切地说，偏转器214为在轴线Z202上定心的环形形状。它由若干区段2140构成，其中的一个在图6的截面中可见，布置在第一水通过通道C1中。在图7中，偏转器214由阴影区域示出。
偏转器214的各个区段2140各自利用由高密度聚乙烯制成的质量块2142、由不锈钢制成的部分2144和同样由不锈钢制成的板2146形成。部分2144沿水泵方向布置在质量块2142的下游，且刚性地连接到其。它通过螺钉216附接到下凸缘环210，螺钉216中的仅一个在图6中可见。部分2144由板2146覆盖，板2146沿水泵方向向下游切向地延伸，且焊接到下凸缘环210。
质量块2142具有在水泵方向上从上游到下游减小的厚度。其具有如下优点，即在水轮机方向上，偏转器214不反抗通道C1中的水的通过的任何显著阻力，且在水泵方向上，利用偏转器214防止不稳定的流分离。
作为变型，质量块2142的材料可为除高密度聚乙烯之外的合成材料，且可使用除螺钉之外的附接器件。
该偏转器214的加入降低用于流在固定导叶204内通过的第一通道C1的高度。实际上，如图6中可见，水不再在上凸缘环212与下凸缘环210之间流动，而是在上凸缘环212与偏转器214之间流动。因此，各个第一水通过通道C1在偏转器214与上凸缘环212之间平行于轴线Z202测得的由h204'表示的改造后的高度相对于高度h204减小。这导致分送器206'中的流速的流出分量增大。方位分量不受该高度方面的变化显著地影响，因为它基本上取决于给予引导导叶的弯度。因此，流具有比改造之前的设备2中更径向的方向。
在说明书的其余部分中，认为改造后(即，图5至8的构造中)的水泵水轮机20的操作点与图1的未改造水泵水轮机的操作点相同，且还与在如图3和4所示地以具有改动的弯度的引导导叶2060'来替换未改造的水泵水轮机的引导导叶之后使用的操作点相同。
参看图8，在引导导叶2060'处、在分送器206'的通道C2的出口处、和在改造之后的预分送器204的通道C1的入口处获得的水流的绝对速度矢量由表示。该速度矢量具有方位分量，被认为等于改造之前获得的速度分量，因为方位分量未由预分送器204的高度方面的变化全局地影响。另一方面，速度具有大于速度分量的流出分量。在图8中，速度出于比较改造之前和之后的水流角度的目的而仅以虚线示出。在后缘2064的水平处，弦2062沿直线轴线Y2064'延伸，轴线Y2064'可描述为改造之后的引导导叶2060'的流体出口轴线。轴线Y2046未改变，角度A3维持原状。角度A1'限定在轴线Y2064'与正交径向方向Uo之间，角度A1'大于改造之前获得的角度A1。在改造之后，轴线Y2064'和Y2046在它们之间限定角度A2'，其小于改造之前获得的角度A2。因此，减少了引导导叶2060'与固定导叶2040之间的冲角的不足。
此外，预分送器204的通道C1的高度减小需要改变分送器的高度h206和叶轮202的高度h202。因此，改造方法还包括替换分送器206和叶轮202的步骤，特别是通过对水泵水轮机20装备叶轮202'，其通道C3具有高度h202'，高度h202'是平行于轴线Z202且沿水泵方向在叶片208'的后缘2080'处测得的，等于第一通道C1的高度h204'。类似地，改造包括以分送器206'替换分送器206的步骤，分送器206'的通道C2具有高度h206'，高度h206'是平行于轴线Z202测得的，等于第一通道C1的高度h204'。该高度h206'实际上是引导导叶2060'的高度，其是在两个支承件2063与2065之间竖直地测得的，引导导叶2060'各自围绕平行于轴线Z202的轴线Z2060铰接在两个支承件2063与2065之间。刚性地连接到引导导叶2060'的，称为耳轴的部件2067'和2069'分别安装在支承件2063和2065上，且用于控制引导导叶2060'围绕轴线Z2060的旋转。
偏转器214在预分送器204的通道C1中的加入还具有减小固定导叶2040的水沿该其流通的润湿表面2048A和2048B的面积的优点。因此，流损失较少由与固定导叶2040的摩擦引起的压差(head)。此外，使用具有减小的高度的分送器206'以及具有减小的高度的叶轮202'的事实意味着行进穿过叶轮202'和分送器206'的流E也由于与固体部分的摩擦减小而损失较少压差。实际上，减小了润湿表面。
作为未示出的变型，偏转器214为单片的(one piece)，且包括各自包绕固定导叶2060的壳体。
作为未示出的变型，偏转器214的区段2140的质量块2142由混凝土制成，或由金属板形成。
根据未示出的另一个变型，偏转器214未附接到下凸缘环210上，而是附接在上凸缘环212下方。
作为未示出的变型，第一通道C1的高度减小通过将偏转器附接到下凸缘环210上方并且将另一个偏转器附接到上凸缘环212下方来实施。
上文提到的实施例的变型和模式可组合来给出本发明的实施例的新模式。

Claims (10)

1. 一种改造用于将水力能转换成电能或机械能且反之亦然的设备(2)的方法，该改造的设备包括：
- 法兰西斯型水泵水轮机(20)，包括能够围绕轴线(Z202)移动的叶轮(202)，
- 预分送器(204)，包括固定导叶(2040)，所述固定导叶(2040)在各对两个相邻固定导叶之间限定第一水通过通道(C1)，
- 分送器(206)，包括引导导叶(2060)，所述引导导叶(2060)沿对在水轮机模式下操作的所述水泵水轮机给送的水流的方向布置在所述固定导叶下游，所述引导导叶(2060)在各对两个相邻引导导叶之间限定第二水通过通道(C2)，
该方法的特征在于，其包括下列步骤：
a) 减小所述第一水通过通道(C1)的平行于所述叶轮(202)的旋转轴线(Z202)获得的高度(h204)，
b) 减小所述第二水通过通道(C2)的平行于所述叶轮的旋转轴线获得的高度(h206)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定导叶(2040)附接在上凸缘环(212)与下凸缘环(210)之间，且步骤a)通过在各个第一通道(C1)中将偏转器(214)的区段(2140)附接到上环上和/或下环上来实施。
3. 根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，步骤b)通过改变所述分送器(206)来实施，特别是通过对所述水泵水轮机装备分送器(206')，所述分送器(206')的通道(C2)具有高度(h206')，所述高度(h206')是平行于所述叶轮(202)的旋转轴线(Z202)测得的，等于第一通道(C1)的高度(h204')。
4. 根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述引导导叶(2060)包括在水通过期间被润湿的两个相反表面(2068A,2068B)、和与所述两个相反表面等距的弦(2062)，并且所述方法包括步骤b)之后的步骤c)，所述步骤c)为：
c) 以一种方式调整所述分送器(206')的引导导叶围绕它们的枢转轴线(Z2060)的旋转，使得水泵模式下的所述引导导叶的后缘(2064)的水平处的所述弦的直线延长线(Y2064')与行进穿过该后缘的所述叶轮(202)的旋转轴线(Z202)的正交径向方向(Uo)形成角度(A1')，对于所述水泵水轮机的相同操作点，所述角度(A1')大于水泵水轮机(20)改造之前在该直线延长线(Y2064)与该正交径向方向之间限定的所述角度(A1)。
5. 根据前述权利要求中的一项所述的方法，其特征在于，所述叶轮(202)包括叶片(208)，所述叶片(208)在各对两个相邻叶片之间限定第三水通过通道(C3)，并且所述方法包括步骤d)，所述步骤d)为：
d) 减小第三通道(C3)的高度(h202)，所述高度(h202)是当所述水泵水轮机(20)在水泵模式下操作时在所述叶片(208)上的流(E)的后缘(2080)的水平处获得的，且平行于所述叶轮的旋转轴线(Z202)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤d)通过改变所述叶轮(202)来实施，特别是通过对所述水泵水轮机装备叶轮(202')，在所述叶片(208')的后缘(2080')的水平处平行于所述叶轮的旋转轴线(Z202)测得的所述的叶轮(202')的第三通道(C3)的高度(h202')与所述第一(C1)和第二通道(C2)的高度相同。
7. 一种用于将水力能转换成电能或机械能且反之亦然的改造的设备(2)，包括：
- 法兰西斯型水泵水轮机(20)，包括能够围绕轴线移动的叶轮(202)，
- 预分送器(204)，包括固定导叶(2040)，所述固定导叶(2040)在各对两个相邻固定导叶之间限定第一水通过通道(C1)，
- 分送器(206)，包括引导导叶(2060)，所述引导导叶(2060)沿对在水轮机模式下操作的所述水泵水轮机给送的水流的方向布置在所述固定导叶下游，所述引导导叶在各对两个相邻引导导叶之间限定第二水通过通道(C2)，
其特征在于，其包括在各个第一通道(C1)中布置在下凸缘环(210)上和/或上凸缘环(212)上的至少一个偏转器(214)。
8. 根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述偏转器(214)由若干区段(2140)形成，各个区段布置在第一通道(C1)中，且经由附接部件(216)附接到所述下凸缘环(210)和/或所述上凸缘环(212)。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述偏转器(214)的区段(2140)各自包括金属板(2146)。
10. 根据权利要求8或9中的一项所述的设备，其特征在于，所述偏转器(214)的区段(2140)各自包括合成材料、混凝土或金属的质量块(2142)。
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