CN105229300A - 用于制造液压机器的旋转部分的方法、根据该方法制造的旋转部分、液压机器及能量转换设备 - Google Patents

用于制造液压机器的旋转部分的方法、根据该方法制造的旋转部分、液压机器及能量转换设备 Download PDF

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Abstract

一种用于制造属于用于将液压能转换成电能或机械能的设备的液压机器的旋转部分的方法。该旋转部分包括围绕旋转部分的旋转轴线分布并且从前缘延伸至后缘(2082)的叶片。该方法包括由以下构成的步骤：以钢制造限定其前缘的各个叶片的第一部分(208A)，以除钢之外的材料制造叶片的第二部分(208C)，以及将该第二部分附接于叶片的第一部分以便形成后缘。

Description

用于制造液压机器的旋转部分的方法、根据该方法制造的旋转部分、液压机器及能量转换设备
技术领域
本发明涉及一种用于制造属于用于将液压能转换成机械能或电能的设备的液压机器的旋转部分的方法、根据该方法制造的旋转部分、配备有此类旋转部分的液压机器，以及包括此类机器的能量转换设备。
背景技术
在将液压能转换成机械能或电能的领域中，已知的是使用液压机器，如涡轮、泵或泵涡轮。在涡轮模式中，机器驱动轴旋转，因此将液压能转换成机械能。该能量转换借助于转轮实现，该转轮包括转轮冠部、转轮带和叶片，该叶片围绕转轮的旋转轴线分布在转轮冠部与转轮带之间。叶片遵循曲线在操作中分别为用于水流的前缘和后缘的第一边缘与第二边缘之间延伸。当以涡轮模式操作时，水从上游水储存器流过给水栓，并且到达包绕机器的转轮的外壳中。外壳接着将水分配在转轮的叶片之间。叶片具有特定轮廓，借助于其，低压区可在转轮内产生。这引起转轮旋转。当水到达叶片的后缘时，其朝下游的引流管移动。
液压机器领域中的当前出现的问题中的一个在于产生转轮的叶片的后缘附近和下游的卡曼涡列。更准确地说，转轮的叶片的后缘不是非常流线形的，并且产生由围绕叶片的流动的不稳定分离引起的周期性涡流模式。卡曼涡列降低机器的效率，并且表示可导致开裂的叶片上的动态负载。
产生卡曼涡列越大，叶片的后缘就越厚。因此，第一解决方案在于以非对称方式尽可能减小后缘的厚度，以便破坏现象的对称性及其强度。该途径使得有可能减小卡曼涡列，但不可消除它们，因为使用的钢的性质不允许厚度的必要减小。
本发明更具体地旨在通过提出用于制造液压机器的旋转部分的方法来补救这些缺陷，借助于该方法，有可能制造更稳健并且具有改进的性能的液压机器。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于制造属于用于将液压能转换成电能或机械能的设备的液压机器的旋转部分的方法，该旋转部分包括围绕旋转部分的旋转轴线分布并且从前缘延伸至后缘的叶片。根据本发明，该方法包括由以下构成的步骤：
a)以钢制造限定其前缘的各个叶片的第一部分，
b)以除钢之外的材料制造叶片的第二部分并且将其附接于叶片的第一部分，以便形成后缘。
借助于本发明，使用两部分的叶片，由除钢之外的材料制成的其第二部分使得有可能将后缘的厚度减小至接近零的厚度，而不削弱转轮的机械强度或装备的寿命，这意味着出现在叶片的后缘处的卡曼涡列减少。
根据本发明的一个有利但非强制的方面，第二部分由粘合粘结、焊接或螺接来附接于第一部分。
本发明还涉及一种属于用于将液压能转换成机械能或电能的设备的液压机器的旋转部分，该旋转部分在水流穿过其时围绕旋转轴线旋转，并且包括围绕旋转轴线分布并且从前缘延伸至后缘的叶片。根据本发明，旋转部分的各个叶片包括限定前缘的第一部分和由延伸部形成的第二部分，其附接于第一部分的附接区域并且限定叶片的后缘。
根据本发明的有利但非强制的方面，属于液压机器的旋转部分可包括以任何技术上可容许的组合的以下特征中的一个或更多个：
延伸部包括两个表面，其分别使由叶片的第一部分限定的压力面和吸入面延伸。
延伸部由如下材料制成，其弹性极限高于钢，其裂纹扩散趋势低于钢，或其弹性模量低于钢，如，复合材料。
延伸部使叶片延伸，并且具有认作是在后缘与附接区域之间的为叶片的平均总长度的1%到25%之间，特别是等于10%的长度。
旋转部分为弗朗西斯型转轮，其包括转轮冠部和转轮带，叶片在它们之间延伸，第一部分和第二部分附接于转轮冠部和转轮带。
延伸部具有对称点形的截面。
旋转部分属于球状、Kaplan、螺旋桨或Deriaz型的机器，并且包括在操作时围绕轴线旋转的毂，以及从毂相对于旋转轴线沿径向延伸的叶片。
本发明还涉及一种包括如上文限定的旋转部分的液压机器。
最后，本发明涉及一种用于将液压能转换成机械能或电能的设备，其包括如上文限定的液压机器。
附图说明
鉴于根据本发明的原理的用于制造属于液压机器的旋转部分的方法的实施例的纯粹示例性的以下描述，参照附图，将更好理解本发明，并且其其它优点将更清楚显现，在该附图中：
图1为并入也根据本发明的弗朗西斯式涡轮的根据本发明的能量转换设备的示例性轴向区段，
图2为图1的涡轮的转轮的侧视图，
图3为属于图2的转轮的单个叶片的详图，具体是如该图中所见从左侧的第五叶片，
图4为从图3的叶片的截面图，
图5为从图4的框V的放大视图，
图6为并入根据本发明的第二实施例的螺旋桨型涡轮的根据本发明的设备的示意性轴向区段，
图7为沿图6中的线VII-VII的放大局部区段，以及
图8为属于现有技术的转轮的叶片的截面的类似于图5的视图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的能量转换设备2。该能量转换设备2包括在实例中为弗朗西斯式涡轮的液压机器20。涡轮20的旋转部分因此为弗朗西斯型转轮202。该转轮202围绕垂直轴线Z202旋转，并且使传动轴204转动。在本情况下，传动轴204连接于交流发电机206，以便产生电力。然而，还有可能使用产生的机械能来驱动另一个装置。水在上游储存在水储存器(未示出)中。其接着经由具有压头的给水栓22的中介机构供应至液压涡轮20，该压头由水储存器与涡轮20之间的高度差限定。给水栓22通向外壳24，外壳24包绕转轮202，并且借助于外壳24，可大致有规则地围绕轴线Z202在转轮202内分配水。更准确地说，水在定位在转轮202的转轮冠部2022与转轮带2020之间的叶片208之间流动。这些叶片208均包括水相对于其从外壳24到达的前缘2080，以及水朝引流管26从其离开的后缘2082。叶片208具有非对称轮廓，具有压力面2084和吸入面2086。弦2088限定为在压力面2084与吸入面2086之间等距并且穿过前缘2080和后缘2082的线。水穿过涡轮20的流动方向在图1中由箭头E示出。
图2示出了根据本发明的转轮202。更确切地说，关心的是流E到达叶片208的后缘2082的时刻，因为其是用于流E的特别关键的区域。实际上，该时刻标记流E与叶片208的分离。出于该原因，叶片208为制造方法的主题。
图8示出了属于现有技术的转轮的叶片208'的后缘2082'。在该情况下，叶片具有接近后缘2082'的非对称形状，因为厚度朝该边缘减小。因此获得了减小厚度的后缘。然而，后缘2082'仍保持一定厚度，因为钢的性质并未使得在厚度过小时可保证所需的寿命，特别是具有开裂的风险。
在下文中关心的是根据本发明的转轮202的叶片208的后缘2082与流E之间的界面。该界面还可应用于转轮202的其它叶片208。
图3到5示出了借助于本发明的方法制造的叶片208。如图5中所示，叶片208包括由钢制成且在制造方法的第一阶段中制造的第一部分208A，以及为附接于第一部分208A的附接区域208A2的延伸部且由柔性材料如复合材料制成的第二部分208C。附接区域208A2垂直于弦2088。延伸部208C具有在类似于图3到5的平面中的截面，其厚度逐渐地减小，以便终止于对称并且限定线性或准线性后缘2082的点形。以该方式，卡曼涡列在离开叶片208时显著减小，并且离开叶片的流更稳定。
卡曼涡列表示叶片208上的动态负载。因此，可导致开裂的振动风险在旋转部分202根据该方法制造时显著减小，并且机器的寿命因此延长。
延伸部208C接着粘合地粘结于附接区域208A2。在该操作期间，延伸部208C变形，以便遵循附接区域208A2的弯曲形状。该变形对于装配工而已相对简单，因为用于制造延伸部208C的材料是柔性的。延伸部208C可附接于转轮冠部2022和转轮带2020。作为备选，其可与这些元件断开。
在叶片的压力面2084的一侧上的延伸部208C的该表面标为S208C4，并且在叶片208的吸入面2086的一侧上的延伸部208C的该表面标为S208C6。表面S208C4和S208C6分别从压力面2084和从吸入面2086延伸，并且朝后缘2082汇合。以该方式，流动在第一部分208A与第二部分208C不受干扰。
延伸部208C在附接区域208A2的整个表面之上延伸。换言之，部分208C形成整个后缘2082。
实际上，延伸部208C具有长度L208C，其认作是垂直于附接区域208A2并且在该区域与后缘2082之间，在前缘2080与后缘2082之间的弦2088的长度的1%到25%之间，特别是等于10%。
图6和7示出了本发明的第二实施例应用于其的另一种类型的液压机器。该液压机器为螺旋桨型涡轮。其包括安装在轴204上围绕垂直旋转轴线Z204旋转的毂205。叶片208围绕毂205定位。该螺旋桨型涡轮借助于给水栓22供应有水。水因此在螺旋桨的叶片208之间流动。该流在图6中由箭头E表示。毂205和叶片208一起限定涡轮的旋转部分202。
根据本发明，该螺旋桨涡轮的叶片208由两部分制成。第一部分208A限定如由箭头E所见的各个叶片的前缘2080。延伸部208C附接于该第一部分208A，并且形成叶片208的第二部分。该延伸部208C在其安装在部分208A上之前与第一部分208A分开制造。其由复合材料制成。如图7中所示，延伸部208C具有限定线性后缘2082的点形的截面。因此，有可能减小削弱涡轮20的效率的卡曼涡列。
图7更详细示出了叶片208的后缘2082。如该图中所示，延伸部208C粘合地粘结于第一部分208A的附接区域208A2。此外，延伸部208C包括分别使叶片208的压力面2084和吸入面2086延伸的两个表面S208C4和S208C6。因此，流在第一部分208A与第二部分208C之间不受干扰。
在未示出的变型中，本发明还应用于除弗朗西斯或螺旋桨涡轮之外的类型的涡轮，特别是Kaplan、球状、或Deriaz类型的涡轮。
在未示出的变型中，并且不论什么实施例，延伸部208C都螺接或焊接于现有叶片的区域208A2。
在适用于所有实施例的变型中，延伸部208C由如下材料制成，其弹性极限高于钢，其裂纹扩散趋势低于钢，或其弹性模量低于钢，特别是复合材料或任何其它适合的材料。
上文提到的变型和实施例可组合来产生本发明的新的实施例。

Claims (11)

1.一种用于制造属于用于将液压能转换成电能或机械能的设备(2)的液压机器(20)的旋转部分(202)的方法，该旋转部分包括围绕所述旋转部分的旋转轴线(Z202;Z204)分布并且从前缘(2080)延伸至后缘(2082)的叶片(208)，其中该方法包括由以下构成的步骤：
a)以钢制造各个叶片(208)的第一部分(208A)，所述第一部分(208A)限定其所述前缘(2080)，
b)以除钢之外的材料制造所述叶片的第二部分(208C)，并且将该第二部分附接于所述叶片的所述第一部分以便形成后缘(2082)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二部分(208C)由粘合粘结、焊接或螺接来附接于所述第一部分(208A)。
3.一种属于用于将液压能转换成机械能或电能的设备(2)的液压机器(20)的旋转部分(202)，该旋转部分在水流穿过其时围绕旋转轴线(Z202;Z204)旋转，并且包括围绕所述旋转轴线分布并且从前缘(2080)延伸至后缘(2082)的叶片(208)，其中所述旋转部分的各个叶片(208)包括限定所述前缘的第一部分(208A)和由延伸部(208C)形成的第二部分，所述延伸部(208C)附接于所述第一部分(208A)的附接区域(208A2)，并且限定所述叶片的所述后缘(2082)。
4.根据权利要求3所述的旋转部分(202)，其特征在于，所述延伸部(208C)包括两个表面(S208C4,S208C6)，其分别使由所述叶片(208)的所述第一部分(208A)限定的压力面(2084)和吸入面(2086)延伸。
5.根据权利要求3和权利要求4中任一项所述的旋转部分(202)，其特征在于，所述延伸部(208C)由如下材料制成，其弹性极限高于钢，其裂纹扩散趋势低于钢，或其弹性模量低于钢，如，复合材料。
6.根据权利要求3至权利要求5中的一项所述的旋转部分(202)，其特征在于，所述延伸部(208C)使所述叶片(208)延伸并且具有长度(L208C)，其认作是在所述后缘(2082)与所述附接区域(208A2)之间，为所述叶片的平均总长度的1%到25%之间，特别是等于10%。
7.根据权利要求3至权利要求6中的一项所述的旋转部分(202)，其特征在于，所述延伸部(208C)具有对称点形状的截面。
8.根据权利要求3至权利要求7中的一项所述的旋转部分(202)，其特征在于，所述旋转部分(202)为弗朗西斯型转轮，其包括所述叶片(208)在其间延伸的转轮冠部(2022)和转轮带(2020)，所述第一部分(208A)和所述第二部分(208C)附接于所述转轮冠部和所述转轮带。
9.根据权利要求3至权利要求7中的一项所述的旋转部分(202)，其特征在于，所述旋转部分(202)属于球状、Kaplan、螺旋桨或Deriaz类型的机器，并且包括在操作时围绕轴线(Z204)旋转的毂(205)，以及相对于所述旋转轴线从所述毂沿径向延伸的叶片(208)。
10.一种液压机器(20)，其包括根据权利要求3至权利要求9中的一项所述的旋转部分(202)。
11.一种用于将液压能转换成机械能或电能的设备(2)，其包括根据权利要求10所述的液压机器(20)。
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