CN105909450A - 轴流式水力机械、其叶轮及其叶轮叶片 - Google Patents

Abstract

一种轴流式水力机械、其叶轮及其叶轮叶片，基于实施方式的轴流式水力机械的叶轮叶片具备：设置在半径方向中央侧、且由中央侧中弧线划分的中央侧叶片部；以及设置在叶轮轮毂的一侧的侧缘、且由轮毂侧中弧线划分的轮毂侧叶片部。当从水轮机运转时的流动方向观察时，轮毂侧中弧线中的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大。当沿着叶轮的旋转轴线朝下游侧观察时，轮毂侧叶片部的上游端相比中央侧叶片部的上游端位于靠叶轮的旋转方向的一侧的位置。

Description

轴流式水力机械、其叶轮及其叶轮叶片

技术领域

本发明的实施方式涉及轴流式水力机械的叶轮叶片、轴流式水力机械的叶轮以及轴流式水力机械。

背景技术

轴流式水力机械的开发长期以来一直在进行，轴流式水力机械的性能正在大幅改善。另一方面，进行用于适合所期望的经济性要求的运转、例如与设计点不同的流量下的运转的机会增加，这不仅限于轴流式水力机械的效率改善，还要求机械的长寿命化、低振动化、低噪音化，气蚀性能的改善要求提高。对于气蚀性能的改善，尽管已经进行了长期的开发，但依然是重要的开发课题。

气蚀性能的改善和轴流式水力机械的效率的确保成为相反的关系。即、为了改善气蚀性能，优选叶轮叶片、尤其是其负压面承受的流水的圧力在预定的运转范围内的所有的运转点处都比饱和蒸气压力大。若像这样负压面的圧力上升，则能够抑制气蚀的产生。然而，通过负压面的圧力上升，叶轮叶片的圧力面与负压面之间的圧力差降低。因此，叶轮叶片所负担的力降低而叶轮的转矩变小，结果水力机械的效率可能下降。这样，难以使气蚀性能的改善和水力机械的效率的确保并存。

发明内容

基于实施方式的轴流式水力机械的叶轮叶片设置在与旋转主轴连结的叶轮轮毂与包围叶轮的轮盖之间。该轴流式水力机械的叶轮叶片具备：设置在半径方向中央侧、且由中央侧中弧线划分的中央侧叶片部；以及设置在叶轮轮毂的一侧的侧缘、且由轮毂侧中弧线划分的轮毂侧叶片部。当从水轮机运转时的流动方向观察时，轮毂侧中弧线中的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大。当沿着叶轮的旋转轴线朝下游侧观察时，轮毂侧叶片部的上游端相比中央侧叶片部的上游端位于靠叶轮的旋转方向的一侧的位置。

基于实施方式的轴流式水力机械的叶轮叶片设置在与旋转主轴连结的叶轮轮毂与包围叶轮的轮盖之间。该轴流式水力机械的叶轮叶片具备：设置在半径方向中央侧、且由中央侧中弧线划分的中央侧叶片部；以及设置在轮盖的一侧的侧缘、且由轮盖侧中弧线划分的轮盖侧叶片部。当从水轮机运转时的流动方向观察时，轮盖侧中弧线中的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大。当沿着叶轮的旋转轴线朝下游侧观察时，轮盖侧叶片部的上游端相比中央侧叶片部的上游端位于靠与叶轮的旋转方向相反方向的一侧的位置。

基于实施方式的轴流式水力机械的叶轮具备叶轮轮毂和上述的轴流式水力机械的叶轮叶片。

基于实施方式的轴流式水力机械具备轮盖和上述的轴流式水力机械的叶轮。

附图说明

图1是示出第1实施方式中的卡普兰式水轮机的结构的图。

图2是从上方观察图1的卡普兰式水轮机的叶轮的图。

图3是示出图2的中央侧叶片部的A－A剖视图。

图4是示出图2的轮毂侧叶片部的B－B剖视图。

图5是示出图3的中央侧叶片部所负担的力的分布和叶型折转角的图。

图6是示出图4的轮毂侧叶片部所负担的力的分布与叶型折转角的图。

图7是在第2实施方式的叶轮叶片中示出图2的轮盖侧叶片部的C－C线剖视图。

图8是示出图7的轮盖侧叶片部所负担的力的分布与叶型折转角的图。

图9是示出图3的中央侧叶片部的负压面的圧力分布的图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

(第1实施方式)

使用图1至图6对本发明的第1实施方式中的轴流式水力机械的叶轮叶片、轴流式水力机械的叶轮以及轴流式水力机械进行说明。

首先，对轴流式水力机械进行说明。此处，作为轴流式水力机械的一例以卡普兰式水轮机为例进行说明。

如图1所示，卡普兰式水轮机1具备：壳体2，水从未图示的上水库流入该壳体2；以及轴流式水力机械的叶轮10(以下仅记为叶轮10)，该叶轮10设置成相对于壳体2能够旋转，且由从壳体2通过固定导叶3以及导向叶片4流入的水旋转驱动。

固定导叶3是用于形成从壳体2朝叶轮10的流路的部件，且配置在相比壳体2靠内周侧的位置。导向叶片4是用于形成朝叶轮10的流路、并且调整朝叶轮10流入的水的流量的部件，且配置在相比固定导叶3靠内周侧的位置。构成为：通过改变导向叶片4的开度，调整从壳体2朝叶轮10流入的水量，使利用后述的发电机8发电而得的发电量变化。

叶轮10配置在相比导向叶片4靠内周侧、且为靠下侧的位置。从壳体2流入的流水的主流方向(参照图1的粗箭头)在固定导叶3以及导向叶片4处大致朝向半径方向，但在叶轮10处朝向旋转轴线X的方向(铅垂方向)。并且，叶轮10由设置在其外周侧、且构成卡普兰式水轮机1的一部分的轮盖6(转轮室)包围。轮盖6划分出在叶轮10内流动的水的流路。

在叶轮10上，经由旋转主轴7连结有发电机8。若叶轮10由流入的水旋转驱动，则在发电机8中进行发电。

在叶轮10的下游侧设置有尾水管9。该尾水管9与未图示的下水库连结，对叶轮10进行旋转驱动后的水被排出至下水库。

其次，对基于本实施方式的叶轮10进行说明。

如图1以及图2所示，叶轮10具有：与上述的旋转主轴7连结的叶轮轮毂11；以及设置在叶轮轮毂11与轮盖6之间的轴流式水力机械的叶轮叶片12(以下仅记为叶轮叶片12)。其中，叶轮轮毂11构成为以旋转轴线X为中心而与旋转主轴7联动旋转。

叶轮叶片12在周向隔开预定的间隔配置，在叶轮叶片12之间形成有供水流动的流路，形成为从水的流动承受圧力。并且，叶轮叶片12构成为相对于叶轮轮毂11能够以与旋转轴线X垂直的转动轴线Y为中心转动。通过各叶轮叶片12转动，根据流入叶轮10的水的流量调整叶轮叶片12的角度，以实现水力机械的效率提高。

通过以这种方式构成叶轮10，若叶轮叶片12从流入叶轮10的流水承受到圧力，则叶轮10以旋转轴线X为中心被旋转驱动。进而，叶轮10的转矩经由旋转主轴7被传递至发电机8。因此，叶轮叶片12形成为与卡普兰式水轮机1的效率有很大相关性的部件。另一方面，叶轮叶片12可能产生气蚀，因此也是与气蚀性能有很大相关性的部件。

其次，对基于本实施方式的叶轮叶片12进行说明。

如图2所示，叶轮叶片12具有：设置在半径方向中央侧的中央侧叶片部13；设置在叶轮轮毂11的一侧的侧缘的轮毂侧叶片部14；以及设置在轮盖(shroud)6的一侧的侧缘的轮盖侧叶片部15。其中，中央侧叶片部13如图3所示由中央侧中弧线16划分。轮毂侧叶片部14如图4所示由轮毂侧中弧线17划分，轮盖侧叶片部15如后述的图7所示由轮盖侧中弧线18划分。这样，如图2所示，中央侧叶片部13配置在轮毂侧叶片部14与轮盖侧叶片部15之间。并且，轮毂侧叶片部14配置在叶轮轮毂11与中央侧叶片部13之间且接近叶轮轮毂11，轮盖侧叶片部15配置在轮盖6与中央侧叶片部13之间且接近轮盖6。另外，叶轮叶片12形成为将中央侧叶片部13、轮毂侧叶片部14以及轮盖侧叶片部15平滑地连接的流线型形状。并且，中弧线意味着连结与叶轮叶片12的圧力面和负压面双方相切的内切圆的中心而成的线。

叶轮叶片12的各中弧线16～18与水平面所成的叶型折转角(代表性的为图3所示的β)随着沿着叶片长度方向趋向下游侧而变小。这样，各中弧线16～18弯曲，从流入叶轮10的流水承受圧力。在本实施方式中，形成为：该叶型折转角在叶轮叶片12的半径方向上的不同位置处彼此不同。

即、如图3至图6所示，当从水轮机运转时的流动方向观察时，轮毂侧中弧线17中的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率大。换言之，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率半径比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率半径小。由此，轮毂侧叶片部14的上游端14a处的轮毂侧中弧线17的叶型折转角比中央侧叶片部13的上游端13a处的中央侧中弧线16的叶型折转角大，相对于水平面比较大地倾斜。这样，图6所示的上游端14a处的轮毂侧中弧线17的叶型折转角βb1比图5所示的上游端13a处的中央侧中弧线16的叶型折转角βc1大。此处，图5所示的叶型折转角的标度是与图6所示的叶型折转角的标度同样的标度。

如上所述，中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率比较小。使用图5对这样的中央侧中弧线16的曲率更具体地进行说明。

在本实施方式中，如图5所示，当将中央侧叶片部13的叶片全长设为Lc、将中央侧叶片部13的上游端13a处的中央侧中弧线16的叶型折转角设为βc1、将中央侧叶片部13的下游端13b处的叶型折转角设为βc2时，中央侧中弧线16的叶型折转角成为(βc1+βc2)/2的位置xc位于距上游端13a为0.25＜(xc/Lc)＜0.75的范围。由此，叶型折转角成为(βc1+βc2)/2的位置远离中央侧叶片部13的上游端13a，中央侧中弧线16的上游侧部分的角度变化变小，中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率变小。

另一方面，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率比较大。使用图5对这样的轮毂侧中弧线17的曲率更具体地进行说明。

在本实施方式中，如图5所示，当将轮毂侧叶片部14的叶片全长设为Lb、将轮毂侧叶片部14的上游端14a处的轮毂侧中弧线17的叶型折转角设为βb1、将轮毂侧叶片部14的下游端14b处的叶型折转角设为βb2时，轮毂侧中弧线17的叶型折转角成为(βb1+βb2)/2的位置xb位于距该上游端14a为0＜(xb/Lb)＜0.2的范围。由此，叶型折转角成为(βb1+βb2)/2的位置接近轮毂侧叶片部14的上游端14a，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的角度变化变大，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率变大。

并且，如图2所示，当沿着旋转轴线X朝下游侧(朝下方)观察时，轮毂侧叶片部14的上游端14a相比中央侧叶片部13的上游端13a位于靠叶轮10的旋转方向P的一侧。在该情况下，若将连结叶轮轮毂11的旋转中心(旋转轴线X)与轮毂侧叶片部14的上游端14a的线段、和连结该旋转中心与中央侧叶片部13的上游端13a的线段所成的角度设为θ，则θ≧0。

其次，对以这种结构构成的本实施方式的作用进行说明。

当在基于本实施方式的卡普兰式水轮机1中进行水轮机运转的情况下，水从未图示的上水库流入壳体2(参照图1)。流入壳体2后的水从壳体2通过固定导叶3以及导向叶片4而流入叶轮10。借助朝该叶轮10流入的水，叶轮10被旋转驱动。由此，与叶轮10连结的发电机8被驱动而进行发电。流入叶轮10后的水从叶轮10通过尾水管9而被朝未图示的下水库排出。

流入叶轮10后的水在沿着叶轮叶片12(参照图2)的各中弧线的方向流动。

此时，由于中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率比较小，因此能够抑制在中央侧叶片部13中形成局部的加速流的情况。由此，能够抑制局部的圧力下降，能够抑制气蚀的产生。

另一方面，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率比较大。然而，轮毂侧叶片部14的上游端14a位于相比中央侧叶片部13的上游端13a靠上游侧的位置，因此，轮毂侧叶片部14的上游侧部分从流入叶轮10的流水承受比较大的圧力。由此，能够抑制在轮毂侧叶片部14中形成局部的加速流的情况。

然而，当流水在叶轮10内流动的期间，如图5所示，在中央侧叶片部13，遍及其叶片全长大致均等地从流水负担力。另一方面，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率大，由此，如图6所示，在轮毂侧叶片部14中的从中央部分至上游侧部分的区域所负担的力增大。

这样，根据本实施方式，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率大。由此，在中央侧叶片部13中，能够抑制局部的圧力下降，能够抑制气蚀的产生。在轮毂侧叶片部14中，从流入叶轮10的流水负担更大的力，能够增大叶轮10的转矩。并且，轮毂侧叶片部14的上游端14a相比中央侧叶片部13的上游端13a位于靠叶轮10的旋转方向P的一侧的位置，由此，在轮毂侧叶片部14中也能够抑制局部的圧力下降而抑制气蚀的产生。因此，能够改善气蚀性能，并且能够确保卡普兰式水轮机1的效率。

(第2实施方式)

其次，使用图7至图9对本发明的第2实施方式中的轴流式水力机械的叶轮叶片、轴流式水力机械的叶轮以及轴流式水力机械进行说明。

在图7至图9所示的第2实施方式中，主要在轮盖侧中弧线的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大这点上不同，其他结构与图1至图6所示的第1实施方式大致相同。另外，在图7至图9中，对与图1至图6所示的第1实施方式相同的部分标注相同的标号而省略详细的说明。

如图7以及图8所示，当在水轮机运转时的流动方向观察时，轮盖侧中弧线18中的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率(参照图5)大。换言之，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率半径比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率半径小。由此，轮盖侧叶片部15的上游端15a处的轮盖侧中弧线18的叶型折转角比中央侧叶片部13的上游端13a处的中央侧中弧线16的叶型折转角大，相对于水平面比较大地倾斜。这样，图8所示的上游端15a处的轮盖侧中弧线18的叶型折转角βt1比图5所示的上游端13a处的中央侧中弧线16的叶型折转角βc1大。此处，图8所示的叶型折转角的标度是与图5所示的叶型折转角的标度同样的标度。

如上所述，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率比较大。使用图8对这样的轮盖侧中弧线18的曲率更具体地进行说明。

在本实施方式中，如图8所示，当将轮盖侧叶片部15的叶片全长设为Lt、将轮盖侧叶片部15的上游端15a处的轮盖侧中弧线18的叶型折转角设为βt1、将轮盖侧叶片部15的下游端15b处的叶型折转角设为βt2时，轮盖侧中弧线18的叶型折转角成为(βt1+βt2)/2的位置xt位于距上游端15a为0＜(xt/Lt)＜0.25的范围。由此，叶型折转角成为(βt1+βt2)/2的位置接近轮盖侧叶片部15的上游端15a，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的角度变化变大，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率变大。

另外，如图6以及图8所示，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率也可以比轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率大。

并且，如图2所示，当沿着叶轮10的旋转轴线X朝下游侧(朝下方)观察时，轮盖侧叶片部15的上游端15a相比中央侧叶片部13的上游端13a位于靠与叶轮10的旋转方向P相反方向的一侧的位置。例如，优选形成为：轮盖侧叶片部15的上游端15a相比中央侧叶片部13的上游端13a位于靠与旋转方向P相反方向的一侧为轮盖侧叶片部15的叶片全长的2％～6％的位置。

流入叶轮10的水在沿着叶轮叶片12的中弧线16～18流动时，中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率比较小。因此，能够抑制在中央侧叶片部13中形成局部的加速流的情况。由此，能够抑制局部的圧力下降。

图9示出该情况。此处，图9示出本实施方式中的中央侧叶片部13的负压面的圧力分布，其中的虚线示出一般的中央侧叶片部的圧力分布，实线示出本实施方式中的中央侧叶片部13的圧力分布。根据图9可知：在中央侧叶片部13的上游侧部分中，能够抑制负压面的圧力下降。这样，能够抑制中央侧叶片部13中气蚀的产生。

另一方面，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率比较大。然而，轮盖侧叶片部15的上游端15a位于相比中央侧叶片部13的上游端13a靠下游侧的位置，因此，叶轮叶片12从流水承受的圧力分散，轮盖侧叶片部15从流水承受的圧力降低。由此，能够缓和沿着轮盖侧中弧线18的方向上的流水的速度变化，能够抑制形成局部的加速流的情况。

然而，如上所述，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率变大，轮盖侧叶片部15形成在以旋转轴线X为中心的情况下的半径方向外侧(前端侧)。由此，当流水在叶轮10内流动的期间，如图8所示，轮盖侧叶片部15中的从中央部分到上游侧部分的区域所负担的力增大。

这样，根据本实施方式，轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率大。由此，在中央侧叶片部13中，能够抑制局部的圧力下降，能够抑制气蚀的产生。在轮盖侧叶片部15中，从流入叶轮10的流水负担更大的力，能够增大叶轮10的转矩。并且，轮盖侧叶片部15的上游端15a相比中央侧叶片部13的上游端13a位于靠与旋转方向P相反方向的一侧的位置，由此，在轮盖侧叶片部15中也能够抑制局部的圧力下降而抑制气蚀的产生。因此，能够改善气蚀性能，并且能够确保卡普兰式水轮机1的效率。

另外，在上述的本实施方式中，对轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率大，并且轮盖侧中弧线18的上游侧部分的曲率比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率大的例子进行了说明。然而，并不限于此，轮毂侧中弧线17的上游侧部分的曲率也可以并不比中央侧中弧线16的上游侧部分的曲率大。即便在该情况下，在中央侧叶片部13中也能够抑制气蚀的产生，在轮盖侧叶片部15中，能够从流入叶轮10的流水负担更大的力并且抑制局部的圧力下降而抑制气蚀的产生。结果，能够改善气蚀性能，并且能够确保卡普兰式水轮机1的效率。

根据以上叙述的实施方式，能够改善气蚀性能，并且能够确保水力机械的效率。

虽然对本发明的几个实施方式进行了说明，但这些实施方式只不过是作为例子加以提示，并非意图限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种各样的方式实施，能够在不脱离发明的主旨的范围进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形包含于发明的范围、主旨中，并且包含于权利要求书所记载的发明及其等同的范围中。并且，不言而喻，也能够在本发明的主旨的范围内将上述实施方式局部地适当组合。

另外，上述的各实施方式中，作为轴流式水力机械的一例以卡普兰式水轮机为例进行了说明，但并不限于此，在卡普兰式水轮机以外的轴流式水力机械中也能够应用本发明。并且，在能够进行泵运转(扬水运转)的轴流式水力机械中当然也能够应用。

Claims (9)

1.一种轴流式水力机械的叶轮叶片，设置在与旋转主轴连结的叶轮轮毂和包围叶轮的轮盖之间，其特征在于，具备：

中央侧叶片部，设置在半径方向中央侧，由中央侧中弧线划分；以及

轮毂侧叶片部，设置在所述叶轮轮毂的一侧的侧缘，由轮毂侧中弧线划分，

当从水轮机运转时的流动方向观察时，所述轮毂侧中弧线中的上游侧部分的曲率比所述中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大，

当沿着所述叶轮的旋转轴线而朝下游侧观察时，所述轮毂侧叶片部的上游端相比所述中央侧叶片部的上游端位于靠所述叶轮的旋转方向的一侧的位置。

2.根据权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，

当将所述中央侧叶片部的叶片全长设为Lc、将所述中央侧叶片部的上游端处的所述中央侧中弧线的角度设为βc1、将下游端处的角度设为βc2时，所述中央侧中弧线的角度成为(βc1+βc2)/2的位置xc位于距所述上游端为0.25＜(xc/Lc)＜0.75的范围，

当将所述轮毂侧叶片部的叶片全长设为Lb、将所述轮毂侧叶片部的上游端处的所述轮毂侧中弧线的角度设为βb1、将下游端处的角度设为βb2时，所述轮毂侧中弧线的角度成为(βb1+βb2)/2的位置xb位于距所述上游端为0＜(xb/Lb)＜0.2的范围。

3.根据权利要求1或2所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，

还具备设置在所述轮盖的一侧的侧缘、且由轮盖侧中弧线划分的轮盖侧叶片部，

所述轮盖侧中弧线的上游侧部分的曲率比所述中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大，

当沿着所述叶轮的旋转轴线朝下游侧观察时，所述轮盖侧叶片部的上游端相比所述中央侧叶片部的上游端位于靠与所述叶轮的旋转方向相反方向的一侧的位置。

4.根据权利要求3所述的轴流式水力机械的叶轮叶片，其特征在于，

所述轮毂侧中弧线的上游侧部分的曲率比所述轮盖侧中弧线的上游侧部分的曲率大。

5.一种轴流式水力机械的叶轮叶片，设置在与旋转主轴连结的叶轮轮毂和包围叶轮的轮盖之间，其特征在于，具备：

中央侧叶片部，设置在半径方向中央侧，且由中央侧中弧线划分；以及

轮盖侧叶片部，设置在所述轮盖的一侧的侧缘，且由轮盖侧中弧线划分，

当从水轮机运转时的流动方向观察时，所述轮盖侧中弧线中的上游侧部分的曲率比所述中央侧中弧线的上游侧部分的曲率大，

当沿着所述叶轮的旋转轴线朝下游侧观察时，所述轮盖侧叶片部的上游端相比所述中央侧叶片部的上游端位于靠与所述叶轮的旋转方向相反方向的一侧的位置。

6.一种轴流式水力机械的叶轮，其特征在于，具备：

叶轮轮毂；以及

权利要求1所述的轴流式水力机械的叶轮叶片。

7.一种轴流式水力机械，其特征在于，具备：

轮盖；以及

权利要求6所述的轴流式水力机械的叶轮。

8.一种轴流式水力机械的叶轮，其特征在于，具备：

叶轮轮毂；以及

权利要求5所述的轴流式水力机械的叶轮叶片。

9.一种轴流式水力机械，其特征在于，具备：

轮盖；以及

权利要求8所述的轴流式水力机械的叶轮。