CN106715891A - 用于修改涡轮部分的几何形状的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备可包括壳组件(3)，其包括外壳，该外壳成形成修改涡轮的预先存在的元件的形状。壳组件(3)的外壳(8)可由纤维增强聚合材料组成，并且可至少部分地限定内腔。外壳(8)可联结于结构，以修改该结构的几何形状。此后，聚合物铸件(12)可经由附接于壳组件的至少一个注射端口注射到内腔中。在一些实施例中，一个或更多个加强件(9)和/或芯部(10)可定位在内腔内，以有助于改进聚合物铸件(12)至壳(2)的联结，和/或改进设备的结构性质。

Description

用于修改涡轮部分的几何形状的设备及方法
技术领域
本公开涉及用于限定和/或修改涡轮的至少一个元件的几何形状的设备和方法。
背景技术
美国专利No. 8,672,617、6,926,494和5,441,384以及美国专利申请公开No.2004/0156709、2012/0308397和2013/0139494公开了水力涡轮机的实例。可发现水力涡轮具有水与固定导叶的流动未对准。此类未对准可引起显著的效率损失。此类未对准的校正可经常需要相当多的时间和成本，因为此类问题的解决方案经常需要限制的空间内的重部分的操纵和/或涡轮的至少一部分的拆卸。此外，此类因素可有助于安全和处理问题，其可需要解决用于执行对固定导叶的流动未对准的校正。
发明内容
根据本文中示出的方面，提供一种用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备，其包括至少部分地限定内腔的壳。壳可包括复合材料。复合材料可包括纤维和聚合材料。设备还可包括定位在内腔内的聚合物铸件。
根据本文中示出的其它方面，一种水力涡轮包括固定环、附接于固定环的至少一个固定导叶，以及固定导叶延伸部，其具有限定内腔的壳以及定位在内腔内的聚合物铸件。固定导叶延伸部可附接于固定导叶。
根据本文中示出的其它方面，一种修改水力涡轮的部分的几何形状的方法包括将外壳定位成邻近于水力涡轮的部分。外壳可包括由聚合材料组成的复合材料。该方法还可包括以下步骤：将外壳附接于部分，以及将聚合物铸件注射到由外壳至少部分地限定的空间中。
以上描述和其它的特征由以下附图和详细描述例示。
附图说明
现在参照附图，其为示例性实施例，并且其中相似的元件同样地编号：
图1为用于修改能够在涡轮的实施例中利用的涡轮的至少一部分的几何形状的设备的第一示例性实施例的等距视图。
图2为图1中示出的设备的第一示例性实施例的下端的放大片段视图。
图3为图1中示出的设备的第一示例性实施例的壳组件的示例性实施例的透视图。壳组件的外壳的视图从外壳的开口端，以示出芯部和/或加强件元件，其可能够定位在由壳组件的外壳至少部分地限定的腔内。
图4为用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的第一示例性实施例的壳组件的俯视图。
图5为用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的第一示例性实施例的截面视图。
图6为沿着图5的线A-A截取的、用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的第一示例性实施例的截面视图。
本文中公开的创新的实施例的其它细节、目的和优点将从示例性实施例和相关联示例性方法的以下描述变得显而易见。
具体实施方式
本文中公开了用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备和方法。在一些实施例中，涡轮的至少一部分的几何形状的修改可导致针对流体与涡轮的固定导叶的流动未对准的校正。包括此类设备的涡轮也在本文中公开。在一些实施例中，涡轮可为水力涡轮，水穿过该水力涡轮。水力涡轮可为水力发电涡轮装备的部分。还设想的是，涡轮的其它实施例可构造用于待穿过其的流体，其包括液态水和/或其它流体。
水力涡轮的一些实施例可设计为弗朗西斯涡轮。对于此类实施例，涡轮可包括在螺旋壳体的中心中转动的叶轮轮。具有间隔开的固定导叶1的固定环2可定位在螺旋壳体的出口处。固定导叶1可构造成在涡轮不在操作中时支承涡轮的重量，并且在涡轮操作时支持可存在于螺旋壳体中的压力条件。固定导叶可与液态水的流体流对准，以通过确定大小和构造成最小化液压损失来有助于确保涡轮的有效操作。在固定导叶1后面具有边门的径向分布器可使叶轮入口处的水流定向。水可穿过叶轮，并且在引流管中遵循其路线。固定导叶可具有从固定环的下侧2b延伸至固定环2的上侧2a的高度，并且各个固定导叶还可具有从固定导叶1的后缘1b延伸至固定导叶1的前缘1a的长度。
参照图1-6，用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备可构造用于校正流体流与涡轮的固定导叶的未对准。在一些实施例中，设备可提供用于至预先存在的涡轮装备的涡轮的一个或更多个现有的固定导叶的附接。例如，设备可构造为由复合壳组件3组成的固定导叶延伸部，复合壳组件3可联结于预先存在的涡轮装备的固定导叶1。包含在联结的固定导叶延伸壳体组件3与固定导叶1之间的容积可填充有聚合物铸件12。填充有聚合物铸件的容积可为由壳组件3的外壳8至少部分地限定的内腔或其它空间的容积。容积还可由固定环2和固定导叶1的部分限定，外壳8能够附接于该部分。聚合物铸件可定位在由固定环2、固定导叶1以及外壳8限定的容积内，以将壳连结于固定环2和固定导叶1，以经由外壳8的结构修改固定导叶1的几何形状。
壳组件3可包括外壳8，其可限定固定导叶延伸部的液压轮廓。在一些实施例中，外壳8可由纤维和聚合物复合叠层(例如，碳纤维增强聚合材料、碳纤维增强塑料材料、碳纤维增强热塑性材料、预浸材料组成的材料、玻璃纤维增强聚合材料等)制成。壳组件3的外壳8的上缘6和下缘4可修整成尽可能地匹配固定环2的上表面和下表面。外壳8的结构可构造成具有可变的厚度，以使壳的部分13(邻近壳组件3与固定导叶1之间的联结界面14)的厚度与壳的其它部分相比减小。具有减小的厚度的外壳的部分13可为锥形的，以在厚度上从第一厚度连续地减小至比第一厚度窄的第二厚度。具有减小的厚度的壳的部分13可构造成减小壳在该区域中的刚性，以优化壳组件3与固定导叶1的几何形状的匹配。具有减小的厚度的外壳的部分13可有助于确保在预先存在的固定导叶外结构轮廓与附接于固定导叶1的外壳的外轮廓之间的平滑过渡，以修改固定导叶1的几何形状。平滑过渡可导致壳组件的外壳8在联结界面处接触固定导叶，以与固定导叶平滑地配合，使得壳从联结界面14连续地延伸。
例如，具有减小的厚度的外壳8的部分13可构造成以使邻近外壳8的第一侧5的外壳的两个相对面的部分与彼此间隔开，以限定外壳8内的腔的部分。限定这些面的部分的外壳8的两个相对侧可限定部分13，并且可均构造为壁或其它壳元件的部分，其在厚度上从外壳8的该侧的中间部分减小至外壳8的第一侧5的远端，使得外壳的各个面上的外壳的第一侧5的远端由具有比壁的部分(离外壳的第一侧5的远端更远)更薄的厚度的壁限定。外壳8的第一侧5的远端可直接地联结于固定导叶1，使得外壳的两个相对面的远端(包括具有减小的厚度的外壳8的部分13)在联结界面14的区域中在固定导叶1的相对侧上联结于固定导叶。在部分的远端处限定在部分13的相对侧之间的腔的部分可具有等于或大致等于其所附接的固定导叶1的部分的宽度或厚度的厚度(例如，为与固定导叶完全相同的宽度，在部分13所附接的固定导叶的部分的宽度的5％内，等)。
加强件9可组装或以其它方式定位在由壳组件3的外壳限定的内腔内。加强件9可定位在壳组件3内，以增大壳组件3的硬度，并且避免可由于流体静压力而发生的外壳8的变形，该流体静压力可在聚合物铸件12在由外壳8至少部分地限定的内腔内的注射期间发生。加强件9可为定位在由壳组件的外壳限定的内腔内的加强元件。加强件元件中的各个可为元件，如细长的细丝、细长的金属部件、管、细长的刚性部件，或可有助于支承流体静压力的其它元件，该流体静压力归因于注射到外壳8的内腔中的未固化聚合物铸件的存在。
壳组件3还可包括一个或更多个注射端口7，其确定大小并且构造用于聚合物铸件12的注射。在一些实施例中，多个注射端口7可邻近壳组件3的外壳的底部定位在壳的相同面上。在其它实施例中，注射端口7可在外壳8的相对侧或外壳8的相对面上(例如，至少一个端口邻近壳的顶部并且另一端口邻近壳的底部，并且/或者至少一个端口在壳的第一面上并且第二端口在壳的相对的第二面上)。各个端口7可连接于阀或者以其它方式装备有阀。各个阀可构造成控制聚合物铸件到由外壳限定的壳组件的内腔中的流动。例如，各个阀可促动成调节阀的位置，以调节注射到由外壳至少部分地限定的内腔中的聚合物铸件的流动。
芯部10还可插入到固定导叶延伸部中。芯部10可由通过加强件支承的一排闭合端管子组成。芯部10可备选地由多个细长部件或细长中空部件组成，该多个细长部件或细长中空部件布置在由壳组件3的外壳至少部分地限定的内腔内。中空部件可为例如管、轴、杆、细长多边形形状的部件，或具有至少一个中空内区段(例如，部件内的连续中空腔，或限定在部件内的多个中空腔)的其它元件。芯部10可构造成增大壳组件内的表面与容积比，以控制可在聚合物铸件12的聚合期间发生的放热反应，该聚合在聚合物铸件12注射到壳组件的内腔中之后发生。芯部10还可有助于在注射的聚合物铸件12在外壳8内固化时，控制外壳内的聚合物铸件的温度。
在一些实施例中，流体可循环穿过芯部10的中空部件，以有助于便于聚合物铸件在其聚合期间的冷却。例如，液态水、空气、制冷剂或其它类型的冷却流体，它们具有低于在聚合过程期间的注射的聚合物铸件的温度的温度，可穿过芯部10的中空部件，以便于在聚合物铸件注射到外壳8中之后，冷却和固化聚合物铸件。例如，至少一个导管可将冷却流体的源连接于芯部10的一个或更多个中空部件，并且泵或风扇可与源连通，以驱动穿过中空部件的流体的运动，同时聚合物铸件12在外壳8内固化。
壳组件的外壳的第一侧5可构造成限定开口，其从壳组件3的上缘6附近延伸至壳组件3的外壳的下缘4。开口可与由外壳至少部分地限定的内腔连通，并且可构造成便于与固定导叶1的联结。与外壳的第一侧5相对的第二侧可定形成包封由外壳至少部分地限定的内腔，并且便于用于可沿着壳组件经过的水或其它流体的期望流体流运动。
芯部10和/或加强件9可在外壳8定位成邻近于固定导叶或涡轮的其它部分用于至该固定导叶或涡轮的其它部分的附接之前，定位在由外壳8限定的至少一个腔内。例如，外壳8可在车间或其它设施中组装，以具有在其中限定腔的大体结构，该腔与邻近外壳8的第一侧5的嘴部或其它开口连通。芯部10和/或加强件9可定位在腔内，并且联结和/或机械地附接于外壳8，同时壳在车间或其它设施中制作。此后，具有芯部10和/或加强件的壳组件可航运或以其它方式运输至涡轮现场，用于安装到预先存在的涡轮的部分上，或用于安装到涡轮中以在现场重新安装。在外壳定位成邻近于壳将附接于其的一个或更多个部分，并且(如果必要)修整成匹配固定导叶1、固定环2或壳将附接于其的其它部分的几何形状之后，外壳的外表面和/或外壳将联结于其的表面可经由喷砂或其它表面制备机制经历表面制备。
在壳组件3的外壳8形成，经历表面制备，并且具有定位在壳组件的外壳的内腔内的任何加强件9和/或芯部10之后，壳组件3可在联结界面14处联结于固定导叶1。联结可通过一种或更多种粘合剂的使用来形成，该一种或更多种粘合剂定位在外壳8的第一侧5的末端(例如，间隔开以限定内腔的外壳的相对壁的远端)上，用于与固定导叶1接触，用于将固定导叶1联结于壳组件3的外壳的第一侧5。力或压力还可通过夹持或其它机制施加，以有助于将外壳8的第一侧5朝向固定导叶1的前缘按压，同时粘合剂固化成有助于便于外壳的第一侧5至固定导叶1的相对外侧的联结。在一些实施例中，外壳8的第一侧5附接于其的固定导叶1的相对外侧可邻近于固定导叶1的前缘。
油灰11还可用于密封可存在于外壳8与固定环2之间的任何间隙。油灰11可在聚合物铸件12注射到外壳8中用于将外壳8联结于固定导叶1和固定环2之前施加。例如，油灰11可定位在外壳8的上缘6和下缘4的相对侧处，以闭合可存在于外壳8的上缘和下缘与固定环2之间的间隙15。油灰可沿着壳的第一面和第二面两者从外壳的第一侧5延伸至外壳的其相对的第二侧，用于邻近壳的下缘和上缘与固定环接触。例如，油灰11可沿着外壳的侧的长度连续地定位在外壳8的相对侧上，该长度从固定导叶的前缘附近延伸至外壳8的远侧相对端附近。油灰11可为成圆角的、圆形的，或者以其它方式成形，以在固定环2的下缘和上缘处在壳与固定环2之间的联结界面处使外壳8的边缘和固定环融合，以限定外壳3与固定环2的上表面和下表面之间的平滑半径。图6可最佳示出此类油灰11的成形，以及由油灰11密封的外壳下端4与固定环2之间的间隙15的实例。
在壳的第一侧5与固定导叶1之间的联结界面14处的粘合剂固化并且油灰11固化之后，聚合物铸件12可注射在由外壳至少部分地限定的腔内侧。固定环2在壳的上缘6上面且在下缘4下面的部分以及邻近壳的第一侧5的固定导叶可定位成以使聚合物铸件12将注射在其中的外壳8的内腔由外壳8、固定环2以及固定导叶1包封。聚合物铸件可包括聚合物材料。例如，聚合物铸件可包括与固化剂混合的热固性聚合物树脂，其处于液体状态或其它流体状态，用于注射到腔中。还设想的是，聚合物铸件12可备选地包括与固化剂混合的热塑性树脂，其呈液体或其它流体形式，用于注射到腔中。
注射的聚合物铸件12可增大影响由壳组件3限定的固定导叶延伸部的加载的阻力，并且还可将壳组件3在化学上连结于固定导片1。聚合物铸件12还可邻近壳组件的外壳的下缘和上缘将壳组件3在化学上连结于固定环2。在注射的聚合物铸件固化之后，注射端口7可修整成以使具有注射端口的壳的面(或多个面)具有期望的几何形状和/或表面轮廓。
聚合物铸件12可通过将聚合物铸件的源连接于端口7中的一个或更多个来注射。此类连接可包括例如连接在待注射的聚合物铸件的源与一个或更多个端口7之间的导管，一个或更多个端口7与由壳组件3的外壳8至少部分地限定的内腔连通。导管可包括至少一个管、管子、管道、柔性管、柔性软管，或其它导管元件。泵、风扇或其它流驱动机构可流体地连接于聚合物铸件材料的源，并且促动成驱动聚合物铸件12经由一个或更多个端口7到由外壳8至少部分地限定的腔中的注射。各个端口7可附接于阀或者以其它方式装备有阀，该阀可操纵成有助于在聚合物铸件的注射期间调节注射到腔中的聚合物铸件12的流率。
设备的实施例可构造用于校正流体流与涡轮的固定导叶的未对准，并且可构造成形成在水力涡轮或其它类型的水力涡轮的预先存在的固定导叶上，以针对该涡轮的固定导叶的流未对准校正。用于校正流体流与固定导叶的未对准的形成的设备可容许流未对准的校正在不具有大的重的部分(可难以在涡轮的螺旋壳体内操纵和/或处理)的使用的情况下发生，因为用于校正流体流的未对准的设备的实施例可具有比重金属构件显著更低的重量。作为用于校正流体流的未对准的设备的实施例，减小的重量还可减少与安装和/或制作有关的安全问题。用于校正流体流的未对准的设备的实施例可构造用于安装到预先存在的固定导叶1上，而不使用特定处理装置，其设计和安装用于固定导叶延伸部或用于校正流体流的未对准的其它类型的设备的安装。
用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备和方法的实施例还可构造用于至涡轮的其它类型的结构的附接，以修改可在预先存在的涡轮装备内的其它结构。例如，设备的实施例可构造用于至边门或涡轮的其它元件的附接，用于调节此类结构的形状或修复此类结构。此类成形的设备可包括壳组件，其具有至少部分地限定内腔的外壳8。外壳8可由包括纤维和聚合物材料的复合材料组成。壳组件还可包括在内腔内的聚合物铸件。聚合物铸件可经由聚合物铸件经由一个或更多个端口7到内腔中的注射定位在内腔中，一个或更多个端口7附接于外壳，与内腔流体连通。芯部10可定位在内腔内，并且多个加强件9也可定位在由壳至少部分地限定的内腔内。
还应当理解的是，用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的实施例可构造用于在涡轮的安装期间和/或在涡轮的构件的制作期间至涡轮的附接，和/或用于改装到预先存在的涡轮装备中。例如，外壳8可定位成邻近于水力涡轮的第一部分，其中外壳8包括包含纤维和聚合物材料中的至少一种的复合材料。外壳可接着附接于该第一部分，并且聚合物铸件12可随后注射到由外壳和部分至少部分地限定的空间中。芯部10和/或加强件9可在聚合物铸件注射到空间中之前，定位在至少部分地限定在外壳内的空间内。聚合物铸件可经由一个或更多个端口7注射到空间中。油灰11还可用于密封可形成在外壳8与邻近于外壳8的水力涡轮的第二部分(如固定环2或其它涡轮构件)之间的间隙。聚合物铸件12可在外壳8由粘合剂、另一类型的粘结剂和/或它们的组合附接于第一部分和第二部分之后注射，并且在外壳与任何部分之间的间隙经由油灰11或其它类型的间隙密封机制密封之后注射，外壳将附接于该任何部分。
用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的实施例还可构造成避免可由金属的焊接的使用以及其它有问题的变量而引起的问题，该其它有问题的变量由于使用仅由金属构成的结构或具有主要由金属构成的外表面而导致。例如，用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的实施例的附接不需要焊接。焊接的未使用容许用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备的实施例的安装在不拆卸涡轮的部分的情况下发生，以避免来自焊接的热使关键表面变形或以其它方式损坏涡轮。此外，刚性金属结构在结构的外表面上的未使用可有助于防止与将形成的金属轮廓调节成匹配预先存在的固定导叶和/或固定环的轮廓相关联的问题。刚性金属结构的此类调节可需要复杂的操作，其导致材料的除去以使形成的结构成形，或材料的添加以使形成的结构成形成与预先存在的固定导叶和固定环结构匹配。此类复杂和成本可由用于校正流体流的未对准的设备的实施例避免。
应当认识到的是，可对用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备以及制造和使用该设备的方法的实施例作出各种改变，以解决不同的设计标准。例如，增强导叶延伸壳组件3的外壳8的聚合材料的纤维可由玻璃、碳、碳纳米管、铝、芳族聚酰胺，和/或其它类型的纤维，和/或此类纤维的组合组成。此外，纤维增强的聚合材料可为适合于特定的一组设计标准的任何聚合材料，如热塑性聚合材料(例如，聚酯、乙烯基酯、尼龙等)，或热固性聚合材料(例如，环氧树脂等)。作为又一实例，聚合物铸件可为任何类型的适合的聚合物铸件(例如，环氧基铸件、聚氨酯基铸件、与固化剂混合的热固性树脂等)，其满足特定的一组设计标准。作为又一实例，用于设备至部分的附接的粘结剂的类型可为任何适合的粘结剂和/或粘结剂的组合。
尽管已经参照各种示例性实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，可作出各种改变，并且等同方案可替换其元件，而不脱离本发明的范围。此外，可作出许多改型以使特定情形或材料适合于本发明的教导，而不脱离其基本范围。因此，意图是，本发明不限于公开为设想用于执行本发明的最佳模式的特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1. 一种用于修改涡轮的至少一部分的几何形状的设备，其包括：
壳，其至少部分地限定内腔，所述壳包括复合材料，所述复合材料包括纤维和聚合材料；以及
聚合物铸件，其定位在所述内腔内。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳具有第一侧，其限定与所述内腔连通的开口，并且其中所述壳的所述第一侧构造用于至所述涡轮的固定导叶的相对侧的附接。
3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括：
芯部，其定位在所述内腔内。
4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述芯部由多个中空部件组成，并且所述设备还包括至少一个端口，其能够连接于所述壳用于所述聚合物铸件到所述内腔中的注射。
5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括：
多个加强件，其定位在所述内腔内。
6.一种水力涡轮，其包括：
固定环；
至少一个固定导叶，其附接于所述固定环；以及
固定导叶延伸部，其具有限定内腔的壳以及定位在所述内腔内的聚合物铸件，所述固定导叶延伸部附接于所述固定导叶。
7.根据权利要求6所述的涡轮，其特征在于，所述壳由包括纤维和聚合材料的复合材料组成。
8.根据权利要求7所述的涡轮，其特征在于，所述固定导叶延伸部还包括定位在所述内腔内的芯部。
9.根据权利要求8所述的设备，其特征在于，所述芯部由多个中空部件组成。
10.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述固定导叶延伸部还包括定位在所述壳的所述内腔内的多个加强件。
11.一种修改水力涡轮的部分的几何形状的方法，其包括：
将外壳定位成邻近于所述水力涡轮的部分，所述外壳包括复合材料，所述复合材料包括聚合材料；
将所述外壳附接于所述部分；以及
将聚合物铸件注射到由所述外壳至少部分地限定的空间中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将芯部和多个加强件中的至少一个定位到所述空间中。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述聚合物铸件经由连接于所述外壳的至少一个端口注射到所述空间中。
14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述部分为固定导叶，并且所述涡轮还具有固定环，所述固定导叶附接于所述固定环，所述方法包括：
密封限定在所述外壳的上缘和下缘与所述固定环之间的间隙。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述聚合物铸件到所述空间中的所述注射在所述间隙的所述密封执行之后执行。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述空间由所述外壳、所述固定导叶以及所述固定环限定。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
在所述聚合物铸件到所述空间中的所述注射之前，将芯部和多个加强件中的至少一个定位到所述空间中。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述复合材料还由纤维组成。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述聚合物铸件到所述空间中的所述注射通过使所述聚合物铸件穿过附接于所述外壳的端口来执行。
20. 根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
将附接于所述端口的阀调节成控制注射到所述空间中的所述聚合物铸件的流；以及
在所述聚合物铸件注射到所述空间之后，修整从所述外壳的所述端口。
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