CN104246213A - 船用涡轮机转子叶片、包括此类叶片的船用涡轮机转子、相关的船用涡轮机以及制造此类叶片的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于船用涡轮机转子的叶片(24)，所述叶片沿径向(R)延伸并且包括外表面(EXT)、内表面(INT)、前缘(36)和后缘(38)，其中所述前缘(36)是大体沿所述径向(R)延伸的所述叶片(24)的边缘并且置于沿所述叶片(24)流动的水流方向的上游，所述后缘(38)是与所述前缘(36)相对的所述叶片(24)的边缘并且置于所述水流方向的下游。在根据剖面(P)的横截面中，所述叶片(24)的至少一部分呈现的包括厚部(42)和薄部(44)轮廓(40)，所述剖面(P)垂直于所述径向(R)，所述厚部(42)和所述薄部(44)各自在垂直于所述外表面(EXT)的方向中具有最大厚度(E1、E2)，所述厚部(42)的所述最大厚度(E1)比所述薄部(44)的所述最大厚度(E2)大至少四倍，所述薄部(44)的曲线的长度(L2)介于所述前缘(36)与所述后缘(38)之间的弦(46)的长度(C)的0.1倍与所述弦(46)的所述长度(C)的0.9倍之间，优选地介于所述弦(46)的所述长度(C)的0.25倍与所述弦(46)的所述长度(C)的0.9倍之间。

Description

船用涡轮机转子叶片、包括此类叶片的船用涡轮机转子、相关的船用涡轮机以及制造此类叶片的方法
技术领域
本发明涉及一种用于船用涡轮机转子的叶片，其中所述叶片沿径向延伸并且包括外表面、内表面、前缘和后缘，所述前缘是大体沿径向延伸的叶片边缘并且置于沿叶片纵向流动的水流方向的上游，所述后缘是与所述前缘相对的叶片边缘并且置于沿叶片纵向流动的水流方向的下游，其中在根据剖面的横截面中，所述叶片的至少一部分呈现出包括厚部和薄部的轮廓，所述剖面与径向垂直，所述厚部和所述薄部各自在垂直于外部曲线的方向上具有最大厚度，所述厚部的最大厚度比所述薄部的最大厚度大至少四倍。
本发明还涉及一种船用涡轮机转子，其中所述转子包括内环、外环以及至少一个此类叶片，所述叶片在所述内环与外环之间径向延伸。
本发明还涉及一种船用涡轮机，所述船用涡轮机包括定子和此类转子。
本发明还涉及一种制造此类用于船用涡轮机转子的叶片的方法。
背景技术
目前已存在一种用于上述类型的船用涡轮机转子的叶片。已知的叶片通常存在两种轮廓类型。在第一种类型中，所述轮廓主要包括厚部，因此薄部的曲线长度接近零。在第二种类型中，所述轮廓主要包括薄部，因此所述薄部的曲线长度大于前缘与后缘之间的弦长。
但是，配备第一种类型的叶片，即所述轮廓主要包括厚部的叶片的船用涡轮机，能够在相对较低的转速下提供良好输出。配备第二种类型的叶片，即所述轮廓主要包括薄部的叶片的船用涡轮机，能够在高于与第一种类型叶片相关的转速的相对较高转速下提供良好的输出。
因此，本发明的目标是提供一种用于船用涡轮机转子的叶片，所述叶片针对低速和高速而言在更广范围的船用涡轮机转子转速下提供更高输出，例如介于20转/分到40转/分(包括端点)之间的速度等。
发明内容
为此，本发明的主题是一种上述类型的叶片，其特征在于，所述薄部的曲线长度在前缘与后缘之间弦长的0.1倍到所述弦长的0.9倍(包括端点)的范围内，优选地在所述弦长的0.25倍到所述弦长的0.9倍(包括端点)的范围内。
根据本发明的其他有利方面，所述叶片包括一个或多个以下特性，这些特征独立出现或者以所有可能的技术组合出现：
厚部的最大厚度小于或等于前缘与后缘之间弦长的0.25倍，
整个叶片独立于剖面径向呈现出厚部和薄部，
叶片独立于剖面在径向中的位置呈现相同轮廓，
前缘与后缘之间的弦长具有可变值，具体取决于在剖面在径向中的位置，优选地具有从内环向外环减小的值，
所述轮廓在内表面侧上呈现拐点，以及
所述厚部呈现对称平面，其中所述对称平面平行于径向。
本发明还包括一种船用涡轮机转子，其中所述转子包括内环、外环以及至少一个叶片，所述叶片本身在所述内环与外环之间径向延伸，其特征在于，所述叶片是上文定义的叶片。
本发明还包括一种船用涡轮机，所述船用涡轮机包括转子和定子，其特征在于，所述转子是上文定义的转子。
本发明还包括一种制造船用涡轮机转子的叶片的方法，其中所述叶片沿径向延伸并且包括外表面、内表面、前缘和后缘，其中所述前缘是大体沿径向延伸的叶片边缘并且置于沿叶片流动的水流方向的上游，所述后缘是与所述前缘相对的叶片边缘并且置于沿叶片流动的水流方向的下游，
所述制造方法包括以下步骤：
针对所述前缘的每个点，计算在根据剖面的横截面中的所述叶片的轮廓，所述剖面穿过所述前缘的所述点并且垂直于所述径向，
根据计算所得轮廓制造所述叶片，
所述制造方法的特征在于所述计算步骤，其中包括：
沿所述外表面的预定曲线选择第一中间点，所述第一中间点与所述外表面的所述曲线的第一端和第二端不同，
通过相对于穿过所述外表面的所述曲线的所述第一中间点和第一端的直线，对所述外表面的所述曲线中取自所述第一端与所述第一中间点之间的部分进行对称计算，确定所述内表面的所述曲线的第一部分，
删除所述内表面的所述曲线的所述第一部分中取自所述第一中间点与沿所述第一部分设置的第二中间点之间的部分，从而得到第一缩短部分，以及
通过用几何线将所述第二中间点连接到所述第二端来确定所述内表面的所述曲线的第二部分，
所述第一缩短部分和所述第二部分形成所述内表面的曲线，并且所述外表面的曲线和所述内表面的曲线形成所述轮廓。
根据本发明的另一个有利方面，本发明提供一种制造工艺，所述制造工艺包括以下特征：
确定所述第二部分的步骤包括不均匀地平移所述外表面的所述曲线中截自所述第二端与所述第一中间点之间的部分，平移距离能够从所述部分的一个点向另一个点变化，优选地从对应于所述第二端的待平移点向对应于所述第一中间点的待平移点增大。
附图说明
参考附图阅读以下说明之后能够显而易见地了解本发明的这些特征和优点，其中以下说明仅作为本发明的非穷举实例，可参考以下附图中：
图1是根据本发明的船用涡轮机的透视图，
图2是根据本发明一个实施例模式的图1中的第一船用涡轮机叶片的示意图，
图3是沿图2中的平面III截取的截面图，
图4是一种制造图2中的叶片的方法的流程图，
图5到图9是考虑到确定叶片轮廓，在执行制造工艺的步骤期间，叶片轮廓的示意图，以及
图10是根据本发明第二实施例模式的与图2类似的视图。
具体实施方式
在图1中，船用涡轮机10包括定子12、围绕纵轴X旋转的移动转子14以及导管16。船用涡轮机10还包括用于支撑定子的支架18。
船用涡轮机10能够将沿纵向X在导管16中循环的液体流的动能转换成电能，其中所述电流驱动围绕X轴旋转的转子14，并且转子14相对于定子12的旋转产生电能。
例如，船用涡轮机10是水下船用涡轮机，所述水下船用涡轮机用于使用海流的动能。在另一种变型中，所述船用涡轮机被设计成浸入水道中，以便将所述水流的水力能量转换成电能。
定子12采用围绕纵轴X旋转的环的形式。众所周知，定子12包括定子的活性磁性零件，所述零件未图示。
转子14包括内环20、外环22和多个叶片24，所述叶片在内环20与外环22之间垂直于纵轴X沿径向R延伸。叶片24的数量N优选地为介于2与20之间(包括端点)。
在图1所示的示例性实例中，转子14包括八个叶片，这八个叶片以一定角度分布在所述内环20的外周上，并且N等于8。或者换言之，两个连续叶片的角间距约等于45°。
转子14还包括转子的磁性零件，这些零件未图示，所述零件布置在环外22的外周上并且能够与所述定子的活性磁性零件一起使用，以便在转子14在定子12内围绕X轴旋转时产生电能。
导管16包括两个半管26，所述两个半管沿纵向X装在定子12的所有侧上。导管16采用围绕纵轴X的圆环面的形式，所述环面呈现出椭圆形的横截面。在沿平行于X轴的纵向平面的截面中，每个半管26呈U形，U形的两端固定到定子12。
支架18包括用于支撑在地面上的多个支撑点28以及用于将定子维持在距地面一定距离处的三个垂直臂30。例如，支架18包括管状底盘。
内环20和外环22各自采用围绕纵轴X旋转的圆柱形管的形式。例如，在纵向X中，内环20的长度与外环22的长度大致相等。在一种变型中，在纵向X中，内环20的程度与外环22的长度不同。
内环20在垂直于X轴的平面中呈现第一直径D1，而外环22呈现大于第一直径D1的第二直径D2。例如，第一直径D1的大小在介于2,000mm与8,000mm之间的范围内(包括端点)。例如，第二直径D2的大小在介于4,000mm与18,000mm之间的范围内(包括端点)。
每个叶片24包括第一表面32、第二表面34、前缘36和后缘38，如图2所示。沿着纵向X中的第一水流方向，第一表面32对应于外表面EXT，而第二表面34对应于内表面INT，内表面INT是叶片24中承受水流压力的表面，而外表面EXT是叶片24中位于与内表面INT相对的一侧上的表面。沿着与第一方向相对的第二水流方向，第一表面32对应于内表面INT，而第二表面34对应于外表面EXT。前缘36是叶片24中沿径向R延伸并且置于沿叶片24流动的水流方向上游的边缘。后缘38是叶片24中与前缘36相对并且置于水流方向下游的边缘。或者，换言之，前缘36正对水流，而后缘38对应于水流方向上的叶片24的后部。
在沿垂直于径向R的剖面P的横截面中，叶片24在径向R中的至少一部分呈现出轮廓40，所述轮廓包括一个厚部42和一个薄部44。
前缘36和后缘38通过假想段46连接，如图3中的虚线所示，也称为前缘36与后缘38之间的弦。
在内表面INT所在的侧面上，轮廓40呈现拐点48。
厚部42在垂直于外表面EXT的方向上具有最大厚度E1，并且在外表面EXT所在的侧面上呈现第一曲线程度L1，如图3所示。
厚部42呈现对称平面S，如图3所示，对称平面S平行于径向R。例如，厚部42由诸如铝等金属材料构成。
薄部44在垂直于外表面EXT的方向上具有第二最大厚部E2，并且在外表面EXT所在的侧面上具有第二曲线长度L2。例如，薄部44的成分为复合金属或者金属板或者还包括聚醚醚酮(来自英语PolyEtherEtherKetone)。
在一种变型中，厚部42和薄部44由热塑性塑料或热固塑料构成。在另一种变型中，厚部42由复合金属构成。
前缘与后缘之间的弦46的长度为C。
拐点48大致对应于厚部42与薄部44之间的界限。
曲线L2的第二长度介于前缘与后缘之间的弦46的长度C的0.1倍与所述弦46的长度C的0.9倍之间。曲线L2的第二长度优选地介于长度C的0.25倍与长度C的0.9倍之间。
第一最大厚度E1比第二最大厚度E2大至少四倍。第一最大厚度E1小于或等于前缘36与后缘38之间的弦长C的0.25倍。
在图2所示的示例性实例中，整个叶片24独立于径向R中的剖面P的位置呈现厚部42和薄部44。例如，叶片24独立于径向R中的剖面P的位置呈现相同的轮廓40。
根据本发明，用于制造叶片24的工艺将使用图4进行描述。
在初始阶段100中，选择预定参考轮廓。从此轮廓保留外表面102的曲线，如图5中的实线所示。在外表面EXT所在的侧面上，所选轮廓具有曲线LT的总长度。
因此在下一步骤110中，沿外表面102的预定曲线选择第一中间点105，第一中间点105与外表面102的曲线的第一端112和第二端114不同(图6)。介于第一部分112与参考点105的正射投影之间的假想段的长度为C1，所述长度对应于弦长C的一定百分比，其中所述参考点位于第一端112与第二端114之间的弦上。长度C1大约介于长度C的10％与90％之间，优选地介于长度C的约10％与75％之间。
因此在步骤120中建立对称轴AS，所述对称轴穿过外表面曲线的第一端112和预选的第一中间点105，如图7所示。
在步骤130中，通过相对于对称轴AS进行对称计算，从外表面曲线中位于第一端112与第一中间点105之间(包括端点)的部分126确定曲线的第一部分124，如图8所示。
在此之后，所述制造工序包括在步骤135中，删除内表面曲线的第一部分124中位于第一中间点105与沿第一部分124布置的第二中间点141之间(包括端点)的部分，以便获得内表面曲线的缩短第一部分142，如图9所示。第二中间点141形成第一缩短部分142的两个端点之一，而第一缩短部分142的另一个端点为第一端112。
随后在步骤140中，通过用几何线将第二中间点141连接到第二端114来确定内表面曲线的第二部分144。
在图9所示的示例性实例中，通过以预定角度θ围绕第二端114旋转外表面102的曲线中位于第二端114与第一中间点105之间(包括端点)的部分146，以确定内表面曲线的第二部分144。随后将内表面曲线的第二部分144延伸到第二中间点141。
在一种未图示的变型中，通过平移外表面102的曲线中位于第二端114与第一中间点105之间(包括端点)的部分146来确定内表面曲线的第二部分144。例如，平移是指在部分146中的特定点处沿垂直于146的方向以预定距离平移。在一种变型中，所述平移是非均匀平移，平移距离可从部分146中的一个点向另一点变化，优选地从对应于第二端114的待平移点向对应于第一中间点105的待平移点增大。
在另一种变型中，内表面曲线的第二部分144采用位于第二中间点141与第二端114之间的直线的形式。
如图9中所示，通过第一缩短部分142和第二部分144形成内表面148的曲线。因此，通过外表面102的曲线和内表面148的曲线形成计算所得轮廓。
最后，在步骤150中，根据在以上步骤100到140中计算所得的轮廓来制造叶片24，所述叶片依据图2所示示例性实例中的剖面P在径向R中的位置呈现相同轮廓40。
根据本发明，以下将描述船用涡轮机10的运行。
当水流通过导管16沿纵向X循环时，其向转子的多个叶片24施加压力，从而驱动转子14围绕纵轴X旋转。随后，转子的活性磁性零件开始相对于定子的活性磁性零件移动，从而产生磁场并且在定子12中感生电流。船用涡轮机10因而从水流中的水流能量产生的电力将在之后输送到电力网。
根据本发明，配备叶片24的船用涡轮机10能够在转子14的旋转速度介于20转/分与40转/分之间(包括端点)时产生100 kW以上的电力。相比之下，现有技术叶片只能在相对较窄范围的转子旋转速度下发电，例如介于25转/分与35转/分之间(包括端点)的速度。
因此，根据本发明，叶片24提供较高输出并且有助于在更广范围的转子14的旋转速度下，例如介于20转/分与40转/分之间(包括端点)的速度下增加船用涡轮机10产生的电力。
根据本发明，叶片24还提供了其厚部42的刚性与其薄部44的柔性之间的良好折衷。
此外，根据本发明，凭借薄部44的柔性，叶片24的输出最佳，无论纵向X中的水流方向如何，通过改变形状，所述薄部能够适应水流方向，从而使得叶片24呈现外表面EXT最佳的轮廓。
图10示出了本发明的第二实施例模式，此模式中与上述第一实施例模式相同的元素均用相同参考标号表示，此处不再赘述。
根据第二实施例模式，前缘36与后缘38之间的弦46的长度C可根据剖面P在径向R中的位置改变。或者，换言之，轮廓40的形式取决于剖面P在径向R中的位置。
长度C优选地从内环20向外环22减小。
所述制造叶片24的工艺与上文相对于图4所述的第一实施例模式类似，此外，需要再次执行步骤100和140以便基于不同剖面P计算一套轮廓40。随后在步骤150中基于计算所得的不同轮廓制造叶片24。
此第二实施例模式的功能与第一实施例模式完全相同，在此不再赘述。
此第二实施例模式的优点包括第一实施例模式的优点。此外，沿弦C的轮廓可变的叶片24有助于抵消掉叶片24在径向R中的机械应力。
因此根据本发明，叶片24提供较高输出，并且根据本发明，能够独立于水流方向，在较广范围的转子14的旋转速度下，例如在介于20转/分与40转/分之间的速度下增加船用涡轮机10产生的电力。

Claims (11)

1.一种用于船用涡轮机(10)的转子(14)的叶片(24)，所述叶片沿径向(R)延伸并且包括外表面(EXT)、内表面(INT)、前缘(36)和后缘(38)，其中所述前缘(36)是大体沿所述径向(R)延伸的所述叶片(24)的边缘并且置于沿所述叶片(24)流动的水流方向的上游，所述后缘(38)是与所述前缘(36)相对的所述叶片(24)的边缘并且置于沿所述叶片(24)流动的水流方向的下游，
在根据剖面(P)的横截面中，所述叶片(24)的至少一部分呈现包括厚部(42)和薄部(44)的轮廓(40)，所述剖面(P)垂直于所述径向(R)，所述厚部(42)和所述薄部(44)各自在垂直于所述外表面(EXT)的方向中具有最大厚度(E1、E2)，所述厚部(42)的最大厚度(E1)比所述薄部(44)的最大厚度(E2)大至少四倍，
其特征在于，所述薄部(44)的曲线的长度(L2)介于所述前缘(36)与所述后缘(38)之间的弦(46)的长度(C)的0.1倍与所述弦(46)的所述长度(C)的0.9倍之间(包括端点)，优选地介于所述弦(46)的所述长度(C)的0.25倍与所述弦(46)的所述长度(C)的0.9倍之间。
2.根据权利要求1所述的叶片(24)，其中所述厚部(42)的所述最大厚度(E1)小于或等于所述前缘(36)与所述后缘(38)之间的所述弦(46)的所述长度(C)的0.25倍。
3.根据权利要求1或2所述的叶片(24)，其中整个叶片(24)独立于所述剖面(P)在所述径向(R)中的位置呈现所述厚部(42)和所述薄部(44)。
4.根据权利要求3所述的叶片(24)，其中所述叶片(24)独立于所述剖面(P)在所述径向(R)中的位置呈现相同轮廓(40)。
5.根据权利要求1到3中任一权利要求所述的叶片(24)，其中所述前缘(36)与所述后缘(38)之间的所述弦(46)的所述长度(C)能够依据所述剖面(P)在所述径向(R)中的位置改变，优选地从所述内环(20)向所述外环(22)减小。
6.根据前述权利要求中任一权利要求所述的叶片(24)，其中在所述内表面(INT)所在的侧面上，所述轮廓(40)呈现拐点(48)。
7.根据前述权利要求中任一权利要求所述的叶片(24)，其中所述厚部(42)具有对称平面(S)，所述对称平面(S)平行于所述径向(R)。
8.一种所述船用涡轮机(10)的转子(14)，其中所述转子(14)包括内环(20)、外环(22)以及至少一个叶片(24)，所述至少一个叶片在所述内环(20)与所述外环(22)之间沿径向(R)延伸，其特征在于，所述叶片(24)符合任一前述权利要求。
9.一种船用涡轮机(10)，所述船用涡轮机包括定子(12)和转子(14)，其特征在于，所述转子(24)符合权利要求8。
10.一种制造船用涡轮机的转子(14)的叶片(24)的方法，其中所述叶片(24)沿径向(R)延伸并且包括外表面(EXT)、内表面(INT)、前缘(36)和后缘(38)，其中所述前缘(36)是大体沿所述径向(R)延伸的所述叶片(24)的边缘并且置于沿所述叶片(24)流动的水流方向的上游，并且所述后缘(38)是与所述前缘(36)相对的所述叶片(24)的边缘并且置于沿所述叶片(24)流动的水流方向的下游，
所述制造方法包括以下步骤：
针对所述前缘(36)的每个点，计算(110、130、135、140)所述叶片(24)在根据剖面(P)的横截面中的轮廓，所述剖面穿过所述前缘(36)的所述点并且垂直于所述径向(R)，
根据计算所得轮廓制造(150)所述叶片(24)，
所述制造方法的特征在于所述计算步骤，包括：
沿所述外表面(102)的预定曲线选择(110)第一中间点(105)，所述第一中间点(105)与所述外表面(102)的所述曲线的第一端(112)和第二端(114)不同，
通过相对于穿过所述外表面的所述曲线的所述第一中间点(105)和第一端(112)的直线(AS)，对所述外表面的所述曲线中位于所述第一端(112)与所述第一中间点(105)之间(包括端点)的部分(126)进行对称计算，确定(130)所述内表面的所述曲线的第一部分(124)，
删除(135)所述内表面的所述曲线的所述第一部分(124)中位于所述第一中间点(105)与沿所述第一部分(124)设置的第二中间点(141)之间(包括端点)的部分，从而得到第一缩短部分(142)，以及
通过用几何线将所述第二中间点(141)连接到所述第二端(114)来确定(140)所述内表面的所述曲线的第二部分(144)，
所述第一缩短部分(142)和所述第二部分(144)形成所述内表面(148)的曲线，并且所述外表面(102)的所述曲线和所述内表面(148)的所述曲线形成所述轮廓。
11.根据权利要求10所述的制造方法，其中确定所述第二部分(144)的步骤(140)包括不均匀地平移所述外表面(102)的所述曲线中位于所述第二端(114)与所述第一中间点(105)之间(包括端点)的部分(146)，所述平移的距离能够从所述部分(146)的一个点向另一个点变化，优选地从对应于所述第二端(114)的待平移点向对应于所述第一中间点(105)的待平移点增大。
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