CN106460770A - 双调节涡轮、用于转换水能的装置和用于修复双调节涡轮的工艺 - Google Patents

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Abstract

双调节涡轮包括球形毂(204)和叶片(202)，球形毂(204)适于围绕第一旋转轴线(Z2)旋转，并且叶片(202)各自借助于相应的联接法兰(206)能够围绕相对第一旋转轴线横向的第二旋转轴线(X202)而相对于毂回转，联接法兰(206)固定地安装在球形毂上并且各自包括用于相应叶片的附连表面(S206)。联接法兰(206)的附连表面(S206)包括平面部分(S206a)。

Description

双调节涡轮、用于转换水能的装置和用于修复双调节涡轮的 工艺
本发明涉及一种双调节涡轮、包括这种涡轮的用于将水能转换成机械能或电能的装置、以及用于修复双调节涡轮的工艺。
在水能量转换的领域中，使用涡轮将水能转换成机械能或电能是已知的。双调节涡轮特别适合于高度不超过80m的低水位落差。双调节涡轮还适合于强的或可变化的流率。
双调节涡轮包括支撑若干个叶片的球形毂，所述叶片在操作过程中由于在叶片的压力侧表面和吸力侧表面之间产生的水压差而牵涉球形毂围绕旋转轴线的旋转。
叶片各自可相对于毂回转，从而适应涡轮的产出。为此，叶片各自通过联接法兰而附连在毂上，联接法兰固定地安装在球形毂上，并且包括用于叶片的弯曲的附连表面。传统的毂具有球形的几何形状，其意味着弯曲的附连表面的曲率半径基本上等于球形毂的曲率半径，从而避免不连续区域。因此，沿着联接法兰的弯曲的附连表面环流的水流得以加速。这种加速导致减压(depression)，其在叶片的吸力侧得以加重。这种减压造成水流中的气泡形成，其是一种被称为气蚀的现象。
气蚀对涡轮性能具有负面效应，并可能随时间损害叶片或毂。
存在减少这种气蚀效应的方案，例如FR-A-2839120中所述，其教导为毂装备用于附连叶片的弯曲的小面，从而减少叶片和毂之间的间隔。类似地，一些涡轮在其叶片上包括反气蚀唇，其使在毂附近环流的水流偏离后者。
虽然上面提到的方案有效地起到了减少在毂和叶片之间的间隙中的气蚀的作用，但是它们并没有解决由于毂的球形几何形状引起的气蚀问题。
本发明旨在通过提出一种双调节涡轮来解决这个缺陷，其中在叶片和毂之间的附连表面的附近减少了气蚀。
为此，本发明涉及一种在权利要求1中所限定的双调节涡轮。
由于本发明，沿着毂的附连表面环流的水流被较少地加速，因为附连表面同传统的联接法兰相比更平，这意味着水在联接法兰附近流动缓慢，并且相关联的减压更低。
在权利要求2至8中详细说明了本发明的有利但非强制性的其它方面。
本发明还涉及如权利要求9中所限定的用于水能转换成机械能或电能的装置。
最后，本发明涉及如权利要求10中所限定的用于修复双调节涡轮的工艺。
现在将参照附图并作为说明性的示例，在不限制本发明目的的条件下解释本发明。
在附图中：
- 图1是用于将水能转换成电能的装置示意图，包括根据本发明的双调节涡轮，且
- 图2是图1的双调节涡轮的详细截面图，显示了在叶片和毂之间的通过联接法兰进行的附连。
在图1上显示了用于将水能转换成电能的装置100。装置100包括卡普兰（Kaplan）涡轮1，其具有轮子2，轮子2适于在来自未显示的水库的强制水流10的作用下围绕竖直旋转轴线Z2而旋转。轴3支撑轮子2并联接在发电机4上，发电机4将交流电流传输至未显示的电网上。装置100还可将水能转换成用于操作任何机械设备的机械能。
压力水管（penstock）5可为轮子2供给强制水流10。它从水库延伸至装备有分水闸的蜗壳6中。分水闸包括导叶7，其可围绕平行于Z2的轴线Z7回转，从而调整环流穿过涡轮1的水流10的流率。这构成了第一级调节。
吸出管8设置在涡轮1的下游。这个吸出管8可使在涡轮1下游的水流10排向河床或下游水库。
轮子2包括毂204和附连在毂周围的叶片202。叶片202具有可调螺距，并均匀地设置在旋转轴线Z2周围。
毂204包括联接装置，其固定在毂204的未显示的空腔中，并且机械地联接在未显示的控制装置上。联接装置包括联接法兰206，其轮流地固定地安装在毂204上，并且确保叶片202附连在毂204上。更精确地说，毂204限定了孔O204以容纳联接法兰206，这些孔的其中一个在图2上得到更好地展现。
联接法兰206各自可使叶片202围绕旋转轴线X202回转，旋转轴线X202相对轴线Z2是横向的。在该示例中，轴线X202相对轴线Z2是径向的，但它关于相对于轴线Z2的径向方向还可能是倾斜的。因此，“横向”方向指任何与轴线Z2不平行的方向。此外，在该示例中，轴线X202与轴线Z2相交，但也可能是别的方式。
叶片202围绕其相对应的轴线X202的旋转容许改变涡轮1的产出。这构成了涡轮1的第二级调节。这是图1上所示的卡普兰涡轮1为什么是双调节涡轮的原因。
叶片202各自具有压力侧表面208、吸力侧表面210和位于联接法兰206上的固定边缘212。
下面详细描述水流与固定在一个叶片202上的仅仅一个联接法兰206的相互作用，因为它对于其它联接法兰206而言是相同的。在图2上，出于图的清楚性起见，毂204和联接法兰206是没有阴影线的。
如图2上所示，联接法兰206限定了用于叶片的弯曲的附连表面S206。这种弯曲的附连表面S206固定在叶片202的边缘212上。叶片202在联接法兰206上的固定例如可通过将这两个部件焊接在一起来执行。
叶片202的边缘212包括中心区域212a，该中心区域212a固定地附连在联接法兰206的表面S206和自由端部分212b上。自由端部分212b不与毂204的外表面S204接触，从而容许叶片202相对于毂204围绕轴线X202旋转。
在图2上，由传统球形毂支撑的联接法兰的附连表面被标示为S206'，并用虚线表示。表面S206'是弯曲的，并具有在整个表面S206'上恒定的曲率半径r1。C1表示表面S206'的曲率中心。C1定位在轴线X202上。对于传统的球形毂，C1位于与点O相同的位置，点O是毂的中心。附连表面S206'的曲率造成沿着附连表面S206'环流的水流加速，导致大量的减压。此外，这种减压在吸力侧表面210上由于吸力侧表面210的凸度得以加重。
减压造成水流中气泡的产生，其被称为气蚀效应。气蚀效应降低了涡轮的产出，并随时间损害了涡轮的结构部件。
根据本发明的涡轮1的联接法兰206具有附连表面S206，其具有居中于轴线X202上的圆形轮廓。因此，当在毂204的方向上沿着轴线X202看去时，这个圆形轮廓尤其是可见的。附连表面S206的直径对应于毂204的接收孔O204的直径。附连表面S206在图2上的点A和B之间延伸，并包括平面部分S206a和包围平面部分S206a的弯曲部分S206b。平面部分S206a定位在附连表面S206的中心，并且关于轴线X202是旋转对称的。它在图2上从点F笔直地延伸至点G。
O表示在轴线X202和Z2之间的交点。M表示在点F和G之间的中点。点M是在表面S206a和轴线X202之间的交点。平面部分S206a是垂直于线段OM并垂直于轴线X202的表面。此外，平面部分S206a具有中心为M的圆形轮廓，其居中于轴线X202上。当在毂204的方向上沿着轴线X202看去时，位置S206a的圆形轮廓尤其是可见的。在平面部分S206a的面积和附连表面S206的面积之间的比率超过1%。
d表示在点F和G之间的距离，其是平面部分S206a的直径。d为联接法兰206的直径的大约20%。
弯曲部分S206b具有曲率半径r2。C2表示表面S206b的上半部分的曲率中心。表面S206b的下半部分的曲率中心未显示，但可通过关于轴线X202的轴对称而推导出来。C1和C2是没有被混淆的。
孔O204各自包括圆形边缘204a，其在联接法兰206的圆周上延伸。在图2的剖面中，圆形的边缘204a被限定在点H和点A之间以及在点I和点B之间。圆形的边缘204a具有与弯曲部分S206b的曲率半径r2相等的曲率半径r3，以及与中心C2是相同的曲率中心。这确保了在毂204和联接法兰206之间的表面的连续性。这样，沿着毂204环流的水流方向没有突然变化。
由于附连表面的新的几何形状，从点A延伸至点B的绳索长度小于沿着表面S206'延伸的绳索长度，因为表面S206包括平面部分。因此，同沿着现有技术的联接法兰的弯曲的附连表面S206'环流的类似水流相比，沿着表面S206环流的水流具有更短的运行路径。因此，沿着表面S206流动的水没有被如同它沿着表面S206'那样多地加速，并且相对应的减压也不太大量。结果，气蚀效应较少。
用于修复任何现有的双调节涡轮的工艺可加以执行，用以减少操作过程中产生的气蚀。在执行这个工艺之前，叶片必须从联接法兰上脱离。该工艺在于，改平现有的联接法兰的弯曲的附连表面S206'，从而在中心形成平面部分S206a，并增加在平面部分206a周围的弯曲部分的曲率半径，从而获得平滑的附连表面。
在改平过程中，联接法兰损失其附连表面上的厚度。在实践中，联接法兰损失了为毂直径的大约10%的最大厚度e。这个最大厚度是在平面部分S206a的中点M和表面S206'之间、平行于轴线X202进行测量的。联接法兰所损失的厚度在接近联接法兰的轮廓时逐渐变小。
在一未显示的备选实施例中，本发明可应用于灯泡式水轮机，其具有适于围绕水平旋转轴线而旋转的轮子。此外，旋转轴线Z2可定向在任何方向上，遵循例如沿着水道的斜面。
如上所述的本发明的不同实施例和备选实施例的技术特征可组合在一起，从而产生本发明的新的实施例。

Claims (10)

1.一种双调节涡轮(1)，包括：
- 球形毂(204)，其适于围绕第一旋转轴线(Z2)旋转，和
- 叶片(202)，其各自借助于相应的联接法兰(206)能够围绕与所述第一旋转轴线成横向的第二旋转轴线(X202)而相对于所述毂回转，所述联接法兰(206)固定地安装在球形毂上并且各自包括用于相应叶片的附连表面(S206)，其特征在于，所述联接法兰(206)的附连表面(S206)包括平面部分(S206a)。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于，所述平面部分(S206a)定位在附连表面(S206)的中心。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于，所述平面部分(S206a)关于所述第二旋转轴线(X202)是旋转对称的。
4.根据任一项前述权利要求所述的涡轮，其特征在于，所述平面部分(S206a)具有居中于所述第二旋转轴线(X202)上的圆形轮廓。
5.根据任一项前述权利要求所述的涡轮，其特征在于，所述平面部分(S206a)被所述附连表面(S206)的弯曲部分(S206b)包围。
6.根据权利要求5所述的涡轮，其特征在于，所述毂(204)限定了用于接收所述联接法兰(206)的孔(O204)，并且所述孔各自具有圆形的边缘(204a)，所述圆形的边缘(204a)具有与所述附连表面(S206)的弯曲部分(S206b)的曲率半径(r2)相等的曲率半径(r3)。
7.根据任一项前述权利要求所述的涡轮，其特征在于，在所述平面部分(S206a)的面积和所述附连表面(S206)的面积之间的比率超过1%。
8.根据任一项前述权利要求所述的涡轮，其特征在于，所述各个叶片(202)的附连表面(S206)具有居中于所述第二旋转轴线(X202)上的圆形轮廓。
9.一种用于将水能转换成机械能或电能的装置，其特征在于，所述装置包括根据任一项前述权利要求所述的涡轮(1)。
10.一种用于修复双调节涡轮的工艺，包括：
球形毂，其适于围绕纵轴线旋转，
叶片，其各自借助于相应的联接法兰能够围绕横向轴线而相对于所述毂回转，所述联接法兰固定地安装在所述球形毂上并且各自包括用于相应叶片的弯曲的附连表面(S206')，
其特征在于，所述工艺包括涉及改平所述联接法兰的附连表面(S206')从而形成平面部分(S206a)的步骤。
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