CN107076101A - 具有短叶片和短下环的法氏水轮机 - Google Patents

具有短叶片和短下环的法氏水轮机 Download PDF

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Abstract

一种包括缩短的下环长度和缩短的叶片长度的法氏水轮机转轮，其结合有反向转轮叶片前缘，该反向转轮叶片前缘具有前缘与下环的连接部，该连接部在旋转方向上位于前缘与冠部的连接部之前，以及包括缩短的圆周长度和缩短的叶片长度的无下环转轮，其结合有反向转轮叶片前缘，该反向转轮叶片前缘在所述转轮的外圆周处具有前缘的拐角，该前缘的拐角在旋转方向上位于前缘连接冠部的位置之前。附加特征包括转轮叶片上的反向后缘曲率设计，其进一步缩短叶片长度。

Description

具有短叶片和短下环的法氏水轮机
技术领域
本发明涉及水轮机，例如法氏水轮机。本发明具体地涉及法氏水轮机的转轮的叶片和下环。
背景技术
图1示出了构造成将液压能量转换成扭矩以驱动发电机(未示出)的常规法氏水轮机1。水通常流经螺旋壳体2流入到围绕水轮机1的旋转转轮3的分配器13中。分配器13可以具有固定导叶132和导流叶片130。水在具有垂直轴线的水轮机内沿着水平方向以大致螺旋运动的方式向内流入转轮。水的旋转速度驱动转轮绕轴线旋转。当水流经转轮时，水的输送部件从水平流转变为大致垂直流出。水从转轮流入到转轮下方的引流管5的垂直锥体中。
在水轮机具有水平轴线的情况下，水以大体螺旋运动的方式向内流入转轮。水的旋转速度驱动转轮绕轴旋转。当水流经转轮时，水转向大致水平流出。水从转轮流入到转轮下游的引流管的水平锥体中。
法氏水轮机的转轮3通常包括冠部6，该冠部6具有沿着转轮3的轴线11朝下环8延伸的回转表面，并且叶片7从冠部6的旋转表面延伸到环形下环8。每个叶片7具有前缘和后缘。这些边缘的端部连接到冠部6和下环8。转轮3可以位于水轮机中的底环22上方。
水进入转轮3，围绕叶片的前缘流动，在叶片之间流动，并且经过叶片的后缘，然后流入引流管5中。
水的速度通常在下环附近比在转轮的冠部附近更快。高速水流在下环处和下环附近导致相对高的液压摩擦，这降低了涡轮的效率，因为一部分能量损失于摩擦。高速水也导致转轮中的低静压。低压可导致空化气泡的形成，空化气泡可损坏叶片、下环和冠部的表面。
在水轮机领域中，转轮下环也被称为护罩或环。冠部也被称为轮毂。叶片的前缘也称为入口边缘或流入边缘。叶片的后缘也称为转轮叶片的出口边缘或流出边缘。本公开可以参考不同的转轮构件可互换地使用这些术语。
图2和图3分别是示例性的常规法氏水轮机转轮9的侧视图和底视图，其沿着转轮9的旋转轴线11在方向(R)上旋转。转轮9包括转轮叶片10的环形阵列，环形下环12和冠部14。当从冠部14观察时，转轮9顺时针旋转。冠部14具有通常沿着旋转轴线11面向下环12的旋转表面。冠部14中的开口23与轴线11同轴，并且可以接收发电机的轴。
图2示出了为了说明目的叠加在下环12上的叶片10的端部18。叶片10的端部接合(例如焊接)到下环12，但不需要延伸穿过下环12。在转轮9的实际实施例中，叶片10的端部18可能不能通过下环12可见。
叶片10以环形阵列布置在转轮9的下环12和冠部14之间的环形阵列中。叶片10引导来自螺旋壳体2的水在下环和冠部之间流动并进入引流管5，如图1中所示。
每个叶片10具有与从前缘16到后缘20的曲线延伸的类似形状。前缘16在转轮9的入口处，并且后缘20在出口处。在叶片10的图像上绘制虚拟流线17、19以示出叶片10的形状。在叶片10的吸入侧上示出了实心虚拟流线17，并且在叶片10的吸入侧上示出了虚拟流线19。叶片10的吸入侧面向转轮的旋转(R)方向，并且压力侧面向远离旋转(R)方向。每个虚拟流线17、19绘制在叶片10的从前缘16到后缘20的表面上。
每个叶片10具有四个拐角P、Q、S和T。叶片端部21的两个拐角P和S邻接冠部14，并且两个拐角Q和T邻接下环12。拐角P、S邻接冠部14的外表面。拐角P靠近冠部14的上游区域，并且拐角S在冠部14的下游区域25处。叶片端部18的拐角Q和T邻接下环12，且拐角Q位于下环12的第一边缘附近，拐角T位于下环12的第二边缘附近。
冠部14的外表面支撑叶片10的端部21。端部21可以例如通过焊接连接到冠部14。冠部14可以具有内部开口以接收驱动轴。冠部14的外表面的部分24在流动方向上延伸超过叶片10的拐角S。冠部14的部分24面向引流管5。
下环12是支撑叶片10的端部18的环形结构。下环12可以具有朝水轮机转轮3的轴线11弯曲的曲率。曲率符合叶片10的边缘18。下环具有长度(L)和直径(D)。长度(L)是在分配器13的底部15与下环8处的后缘T之间测量的距离。直径(D)是转轮3的出口直径，其是下环12在与后缘T的接合处的直径。在本公开的上下文中称为“下环长度比”的标准化下环长度可以由其长度与其最小直径的比(L/D)来表征。
常规转轮具有至少17％(0.17)的下环长度比。这些在本申请的上下文中被称为长转轮。
在本申请的上下文中，称为短转轮的转轮具有小于17％(0.17)的下环长度比。曾经试验过短转轮，但遭受严重的空化损伤，损坏转轮并降低其水力效率。在具有长叶片的长转轮中，空化通常不太过分。传统的观点是，下环和叶片应该长以避免空化。
长转轮中的叶片和下环的增加的长度增加了转轮的质量。长转轮的水力效率受到影响，因为由于较长叶片和下环的增加的润湿表面积而导致的液压摩擦损失的增加。在美国专利6,135,716和4,479,757中公开了减小转轮中的气穴并且改进转轮性能的努力。仍然需要改善转轮性能并且减少转轮中的气蚀。
发明内容
已经构想了具有带有超前(forerunning)前缘的短叶片的短转轮。与长转轮相比，短转轮具有较小的润湿表面积，这导致减小的液压摩擦和改善的性能。短转轮可以具有下环或可以是无下环的(无护罩)。
在超前前缘中，在转轮的旋转方向上，前缘在前缘连接冠部的位置之前连接下环。超前前缘也可以被称为反向前缘。
超前前缘将叶片的压力载荷朝冠部并远离下环移动。负载是指作为压力和吸力侧之间的压力差的结果施加到叶片表面上的各个位置的液压力。由于负载的移动，叶片在下环和冠部之间更均匀地加载。
将叶片的负载移动远离下环降低了下环处和下环附近的叶片表面处的气蚀风险。通过降低气蚀风险，短叶片变得实用。可选择其它叶片参数，例如叶片厚度和叶片角度的分布，以降低气蚀风险和由于气蚀而损坏转轮的风险。
具有超前前缘的短叶片的组合导致与常规长转轮相比具有减小的液压摩擦的短转轮。短转轮的气蚀风险在可接受的水平内。短转轮比传统的长转轮具有更小的重量，这导致较低的材料成本和制造转轮的生产成本。
短叶片的后缘可以反向。反向后缘具有朝叶片的前缘弯曲的曲率。曲率沿着后缘的整个长度从下环延伸到转轮的冠部。反向后缘减小了叶片沿着假流线17、19的长度，特别是在叶片的中间跨度区域处。缩短叶片的长度减小了叶片的润湿表面积，从而降低了液压摩擦。
短转轮可以用于替换现有的转轮，特别是在现有水轮机中存在很少的可用空间以插入转轮的情况下。短转轮还允许新的水轮机组件设计具有比生产常规水轮机的尺寸和成本更小的尺寸和更低的材料和生产成本。
短转轮可以包括下环、冠部、具有超前前缘的短叶片阵列，以及小于17％(0.17)的下环长度比。此外，叶片的后缘可以反向，即，朝冠部和下环之间的前缘弯曲。
无下环(无罩)水轮机转轮可以包括冠部、具有超前前缘的短叶片阵列、以及具有小于17％(0.17)的圆周长度比的转轮的外圆周。此外，叶片的后缘也可以反向。
附图说明
图1是传统的垂直法氏水轮机的部分横截面侧视图，该垂直法氏水轮机具有带有固定叶片和导流叶片的分配器、转轮、引流管和螺旋壳体。
图2是用于法氏水轮机的常规转轮的示意图的侧视图。
图3是常规转轮的底视图。
图4是具有短下环和短叶片的短转轮的示意图的侧视图。
图5是图4所示的短转轮的底视图。
图6是图4所示的转轮的顶视图，其中为了示出叶片的目的，冠部以虚线示出。
图7是示出前缘的短转轮叶片的透视图，其中在叶片的表面上绘出虚拟流线。
图8是图7所示的转轮叶片的透视图，并且提供了叶片的顶视图。
图9是图7所示的转轮叶片的透视图，并且提供后缘的视图。
图10是短转轮叶片的子午视图。
图11是短转轮的另一实施例的侧面和底部的透视图。
图12是图11所示的短转轮的横截面图。
图13是具有反向后缘的短转轮的另一实施例的侧面和底部的透视图。
图14是图13所示的短转轮的横截面图。
图15是比较短转轮和常规长转轮的水力效率的图表。
具体实施方式
图4和图5示出了用于具有超前前缘的叶片30的法氏水轮机的短转轮26。短转轮26围绕轴线28在方向(R)上旋转。下环长度比(L/D)小于17％(0.17)并且可以小于15％(0.15)，并且在11％至7％(0.11～0.07)的范围内。
短转轮26包括环形阵列的转轮叶片30、环形下环32和冠部34。当从冠部34观察转轮26时，方向(R)是顺时针方向。冠部34可以具有沿着转轮26的轴线28朝下环32延伸的回转表面。每个叶片30包括前缘36和后缘40。
前缘36在转轮26的上游入口处，并且在螺旋壳体和用于水或其它液压流体的分配器的下游。后缘40位于转轮26的下游端并且面向可位于转轮26下游的引流管。在叶片图示的吸力侧示出了实线虚拟流线17，并且虚线虚拟流线19显示在叶片图的压力侧上。虚拟流线17、19用于说明的目的，并且不表示叶片表面上的结构，也不表示实际流线。
每个叶片30的第一边缘33固定到冠部34的外表面，并且第二边缘38固定到下环32的内表面。第一边缘33的拐角P、S分别在冠部的外表面的上游区域和下游区域处。拐角Q、T分别位于下环32的上游区域和下游区域处。
与常规下环相比，下环长度L较短。为了适应较短的下环长度L，叶片长度沿着边缘38被缩短。图2和图4示出了下环长度L和短转轮26的叶片30的边缘38的长度比长转轮9的叶片10短。
如通过虚线虚拟流线19和实线虚拟流线17所描绘的，叶片30的曲率具有适应短边缘38和短下环32的比例。
图6示出了每个叶片30的超前前缘36。在超前前缘36中，下环32处的边缘的拐角Q在角度上在冠部34处的拐角P的前方，在旋转方向R上转轮。前角(θ)是从短转轮26的轴线28朝拐角Q和P测量的叶片30的前缘36的拐角Q和P之间的角度。当P拐角在旋转方向R上的Q拐角之前时，存在正前角。负前角(0°＜0°)，诸如图6所示，表示超前前缘。
超前前缘连接点Q使叶片的液压负载移动远离下环32并且朝向冠部34。该移动减小了下环32附近的液压负载，从而降低了下环32和叶片的靠近下环34的部分处的气蚀风险。液压负载朝冠部34的移位还提供沿着叶片30的跨度的更均匀的载荷。
图7、图8和图9是来自不同视点的短转轮26中的叶片30的视图。在图7所示的视图中，以朝叶片30的吸力侧的角度看去，叶片30可以看成是“V”形。叶片30的边缘33附接到冠部，并且边缘38附接到下环。叶片的拐角P、Q、S和T对应于图4、图5和图6所示的拐角。
图10是示出如图7和图9所示的叶片30的前缘36和后缘40的短转轮的子午视图。叶片30的边缘33示出为邻接表示冠部34的外表面的轮廓线42。叶片30的相对边缘38邻接下环的内表面的轮廓线44。图表的垂直轴(Z)表示旋转轴，水平半径(r)表示从转轮的轴线28到后缘与下环的接合处(点T)的距离。
根据后缘40的曲率，与后缘的S和T的拐角之间的直线46相比，短叶片30上的后缘40的反转是明显的。后缘40具有朝叶片30的前缘36弯曲的形状。与反向后缘相反，常规后缘20(在图10中以虚线示出)远离前缘36弯曲并且因此向外弯曲离开直线46。
反向的后缘40缩短了叶片30的长度，特别是在叶片的中跨(M)区域处。缩短叶片30减小了叶片30的润湿表面积，从而减小了叶片30和水之间的液压摩擦。减小的摩擦增加了法氏水轮机在将水中的能量转换为施加到轴的扭矩上的效率。
与常规长转轮的润湿表面积相比，短转轮的总润湿表面积可以减少15％或更多。短转轮的润湿表面积的减小是由于与常规长转轮相比较短的下环和较短的叶片。通过使短转轮上叶片的后缘反向，润湿表面积的减小甚至更大，例如大于百分之二十(20％)。
液压表面摩擦可以通过测量转轮的润湿表面上的剪切应力来确定。表面上的剪切应力是流经转轮的润湿表面的水和转轮表面之间的摩擦的结果。减小表面积减小了由水产生剪切应力以产生液压摩擦的面积。与长转轮相比，短转轮的减小的润湿表面积可以将在表面上积聚的液压剪切应力减少百分之三十(30％)或更多。通过减小液压剪切应力的量，减少了由于摩擦引起的能量损失，并且因此更多的能量可以转换成转矩以驱动转轮的轴。
图11和图12示出了短转轮48的另一个实施例。转轮48适于接收轴60。叶片50各自具有带有拐角P和Q的超前前缘52。每个叶片50的后缘54被示出为具有远离前缘52弯曲的曲率。冠部58的下游端垂直于转轮48的轴线28。下环62可具有外圆柱形表面，该外圆柱形表面成阶梯状以符合法氏水轮机中的固定底环。
图13和图14示出了类似于图11和图12中所示的短转轮48的短转轮64的另一实施例，除了后缘66之外。短转轮64的后缘66被反向，如从后缘66的朝前缘52弯曲的边缘T和S之间的弯曲边缘显而易见的。
图15是常规长转轮的水力效率与诸如转轮26、48和64的短转轮的水力效率的图形比较。y轴上的效率用常规长转轮的峰值效率标准化。x轴上的排放用峰值效率下的排放标准化。短转轮的性能效率68始终高于常规长转轮的性能效率70。效率被定义为转换成轴上的扭矩的能量与在螺旋壳体的入口处进入液压系统的能量减去在引流管的出口处离开液压系统的能量的比率。
短转轮也可以用在水平水轮机中。用于水平水轮机的短转轮将替而具有作为转轮的轴线的水平轴线。短转轮可以执行，使得在水平水轮机中也可以看到垂直水轮机中的短转轮的优点。
此外，无下环(无护罩)转轮可以具有短叶片和超前前缘。无下环转轮可以用于法氏水轮机和卡普兰水轮机。无下环转轮的超前前缘可以被限定为在转轮的外圆周处具有前缘，其在无下环转轮的旋转方向上位于前缘连接冠部的位置之前。
短无下环转轮具有小于17％(0.17)的转轮的圆周长度比。圆周长度比(L/D)是作为在转轮的下分配器与转轮的外圆周的后缘的点之间测量的距离的长度(L)与直径(D)之间的比率，直径(D)即无下环转轮的出口直径，其是转轮的外圆周处转轮的直径。
无下环转轮上的短叶片的外圆周边缘可以适于面对固定壳体的底环的表面，并且叶片可以适于不允许水在叶片的周边边缘和固定壳体的表面之间流动。例如，短叶片的外圆周边缘可以形成抵靠静止表面的密封件。短无下环转轮具有与具有下环的短转轮类似的优点。
水轮机中的短转轮的优点可以包括但不限于提供更轻重量的转轮，减少液压摩擦，增加水力效率和保持可接受的气穴行为。
虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在以覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (16)

1.一种水轮机转轮，包括：
下环，其具有不大于17％(0.17)的下环长度比；
冠部；
转轮叶片，其从所述冠部延伸到所述下环；和
在所述转轮叶片的前缘和所述下环之间的连接部，其在旋转方向上位于所述前缘与所述冠部之间的连接部之前。
2.根据权利要求1所述的水轮机转轮，还包括所述转轮叶片的后缘，其在所述下环和冠部之间具有朝所述转轮叶片的前缘弯曲的曲率。
3.根据权利要求1或2所述的水轮机转轮，其中，所述下环长度比是所述下环沿着平行于所述转轮的旋转轴线的方向的长度与所述下环在与所述后缘的接合处的直径的比率。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的水轮机转轮，其中，所述前缘具有负前角。
5.根据权利要求1至6中任一项所述的水轮机转轮，其中，所述下环长度比小于15％(0.15)。
6.一种水轮机转轮，包括：
具有不大于17％(0.17)的圆周长度比的转轮的外圆周；
冠部；
从所述冠部延伸到所述转轮的外圆周的转轮叶片；和
在所述转轮的外圆周处的每个转轮叶片的前缘的拐角，其中所述拐角在旋转方向上位于前缘连接所述冠部的位置的拐角之前。
7.根据权利要求6所述的转轮，还包括所述转轮叶片的后缘，其在所述转轮的外圆周和朝所述转轮叶片的前缘弯曲的冠部之间具有弯曲部。
8.根据权利要求6或7所述的转轮，其中，所述圆周长度比是在所述外圆周边缘处在沿着平行于所述转轮的旋转轴线的方向上所述转轮叶片的边缘的高度和所述转轮的外圆周的直径的比。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的转轮，其中，所述前缘具有负前角。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的水轮机转轮，其中所述周长长度比小于15％(0.15)。
11.根据权利要求6至10中任一项所述的水轮机转轮，还包括附接到所述叶片的最外面的圆周边缘的环形下环。
12.一种水轮机，包括：
转轮，其包括具有不大于17％(0.17)的下环长度比的下环、冠部、从所述冠部延伸到所述下环的转轮叶片、以及在所述转轮叶片的前缘和所述下环之间的接合部，其在所述转轮的旋转方向上位于所述前缘与所述冠部之间的接合部之前；
位于所述转轮的上游的螺旋壳体；
位于所述转轮和所述螺旋壳体之间的分配器；和
位于转轮下游的引流管。
13.根据权利要求12所述的水轮机转轮，还包括所述转轮叶片的后缘，其在所述下环和冠部之间具有朝所述转轮叶片的前缘弯曲的弯曲部。
14.根据权利要求12或13所述的水轮机转轮，其中，所述下环长度比是沿着平行于所述转轮的旋转轴线的方向，从所述分配器底部到在所述下环处所述后缘的附接点测量的下环长度与在与所述后缘的接合处所述下环的直径的比率。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的水轮机转轮，其中，所述前缘具有负前角。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的水轮机转轮，其中，所述下环长度比小于15％(0.15)。
CN201580039561.5A 2014-07-23 2015-04-30 具有短叶片和短下环的法氏水轮机 Pending CN107076101A (zh)

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