CN107208597B

CN107208597B - 用于水力装置的涡轮机单元

Info

Publication number: CN107208597B
Application number: CN201680007802.2A
Authority: CN
Inventors: H.T.潘; F.卢瓦泽奥; A.邦本格
Original assignee: Alstom Renewable Technologies Wind BV
Current assignee: GE Renewable Technologies Wind BV
Priority date: 2015-01-30
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: WO2016120145A1; CN107208597A; EP3250814A1; US10961978B2; BR112017015700A2; BR112017015700B1; EP3250814B1; US20170370343A1; EP3051119A1; CA2975169A1

Abstract

本发明大体上涉及用于水力装置的涡轮机单元，并且更特别地涉及涡轮机单元的毂。本发明提出提供用于调节在毂和叶片的内边缘之间形成的间隙范围的装置，由此大大提高了涡轮机的性能。

Description

用于水力装置的涡轮机单元

技术领域

本发明大体上涉及用于水力装置的涡轮机单元，并且更特别地涉及涡轮机单元的毂。

背景技术

使用双调节式涡轮机(如Kaplan或Bulb或Deriaz涡轮机)的水力装置现在是广为人知的并且被广泛使用。在该类型的装置中，涡轮机包括其上装配有若干叶片的毂。由水流和叶片的相互作用导致的毂围绕其纵向轴线的旋转决定电力的产生，原因是毂适当地连接到发电机。此外，每个涡轮机叶片有利地枢转地连接到毂从而围绕大致垂直于毂延伸的轴线可旋转。叶片相对于毂的角位置的调节用于改善能量转换过程的效率。众所周知，在叶片的内边缘和毂之间产生间隙。这样的间隙产生有害影响是共识，原因是它们可能导致空化和/或可能会杀死或伤害鱼类，原因是鱼类可能通过间隙被吸入和引入。

专利US 5 947 679解决这样的问题，提供具有对鱼类无害的特征的水力装置的涡轮机。为此，具体参考第7栏第1-26行和图21，US 5947 679提出在叶片和毂的表面之间插入凸起区域以遮蔽间隙。所以，所述专利的教导的目的是提供一种涡轮机，其中间隙的范围减小到零或至少最小化到恒定值以改善鱼的生存性。

参考图1，示意性地示出了属于现有技术的这样的布置的几何形状，其在取决于角α的在凸起区域和叶片的内边缘之间形成的间隙的范围或尺寸方面给出，所述角表示当相对于毂旋转时叶片的角位置。特别地，该图形显示凸起区域的外表面的形状使得取决于叶片角α的间隙的范围具有恒定值。

然而，在导致本发明进行的研究中已经发现，在叶片的给定角位置处，叶片和毂之间存在的间隙范围使得能够控制接近毂的叶轮出口处的速度场。换句话说，可以用适当的间隙范围改善速度场以减少引流管压头损失并改善涡轮机效率。此外，已获得关于空化、压力波动、叶片扭矩、Karman现象的其它优点。

所以，本发明提出提供用于调节在毂和叶片的内边缘之间形成的间隙范围的装置，由此大大提高了涡轮机的性能。

发明内容

本发明的目的是通过提供一种基本上根据本公开限定的用于水力装置的涡轮机的毂来解决前述技术问题。

本发明的另一目的是提供一种基本上在本公开中限定的用于水力装置的涡轮机。

本发明的另一目的是提供一种基本上在本公开中限定的水力装置。

在相应的从属权利要求中限定本发明的优选方面。

根据本发明的方面，该目的通过一种毂实现，所述毂限定纵向轴线并且配置成连接到至少一个叶片，其中所述毂至少包括凸起区域和/或中空区域，所述凸起区域或所述中空区域局部地形成于所述叶片的内边缘附近，所述毂还包括调节装置，所述调节装置配置成调节在所述凸起区域或所述中空区域和所述叶片的内边缘之间形成的间隙的范围。

根据本发明的优选方面，所述毂包括上游和下游区域，其中所述凸起区域或所述中空区域在所述下游区域上形成。

根据本发明的优选方面，所述毂枢转地连接到所述叶片，所述叶片的角位置由在所述叶片的弦线和垂直于所述毂的纵向轴线的轴线A之间形成的角α限定，所述凸起区域限定外表面，所述外表面成形为使得对于所述叶片的至少两个角位置，所述间隙的范围是可变的。

根据本发明的另一优选方面，所述外表面成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙的范围具有带有最小值的曲线趋势。

根据本发明的另一优选方面，所述外表面成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙的范围具有包括第一恒定段和跟随的第二递增段的趋势。

根据本发明的另一优选方面，所述外表面成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙的范围具有递增线趋势。

根据本发明的另一优选方面，所述外表面成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙的范围具有递减线趋势。

根据本发明的另一优选方面，所述外表面成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙的范围具有至少带有局部最小值和局部最大值的曲线趋势。

根据本发明的另一优选方面，所述叶片在最小角α_min和最大角α_max之间可移动。

根据本发明的另一优选方面，对于所述叶片的至少一个角位置，所述凸起区域的外表面成形为使得所述间隙的范围沿着所述叶片的内边缘是可变的。

根据本发明的另一优选方面，对于所述叶片的至少一个角位置，取决于所述叶片的内边缘的所述间隙的范围包括第一恒定部分和跟随的第二递增部分。

根据本发明的另一优选方面，所述调节装置包括旋转机构，所述旋转机构与所述毂的下游或上游区域关联并且配置成围绕所述纵向轴线相对于所述上游区域旋转所述下游区域，反之亦然，从而相对于所述叶片移动所述凸起区域。

根据本发明的另一优选方面，所述调节装置包括推出/撤回机构，所述推出/撤回机构与所述凸起区域关联并且配置成从/在所述毂中推出/撤回所述凸起区域，从而调节所述间隙的范围。

附图说明

当阅读仅为了举例的目的参考附图给出的本发明的优选实施例的以下非限制性描述时，本发明的目的、优点和其它特征将变得更明显，通过所述附图可以使用相似的附图标记指代相似的元件，其中：

图2示出了根据现有技术的涡轮机单元的前视图，所述涡轮机单元包括毂和连接到毂的一个叶片；

图3示出了图1的叶片的平面图；

图4和5示出了根据本发明的涡轮机单元，所述涡轮机单元包括具有凸起区域的毂和连接到毂的一个叶片；

图6和7示出了表示取决于叶片的角位置α在叶片的内边缘和凸起区域之间形成的所得到的间隙的不同示例的图；

图8示出了根据本发明的毂的示意性侧视图，特别示出了凸起区域的几何形状的示例；

图9示意性地示出了根据本发明的第二实施例的涡轮机单元；

图10示意性地示出了根据本发明第三实施例的涡轮机单元。

现在将参考前述附图描述本发明的示例性优选实施例。

具体实施方式

参考图2，其大体上示出了根据现有技术的用附图标记100表示的涡轮机单元。涡轮机100包括配置成围绕其纵向轴线H旋转的毂单元10。毂的旋转由与其连接的多个叶片实现，并且产生典型地在轴线H的方向上引导的水流。毂10与轴成一体，所述轴又连接到用于产生电力的发电机(未图示的部件)。该图描绘了包括一个叶片3的毂10，但是本领域技术人员将容易理解，毂10可以包括围绕其外径均匀地间隔的多个叶片。更特别地，叶片3枢转地连接到毂10，使得其角位置可以由在垂直于纵向轴线H的轴线A和叶片的弦线35之间形成的角α限定。在操作期间可以取决于正在进行的过程的各种变量(例如水流和其速度场)适当地调节叶片3的角。更特别地，叶片3可以典型地从其中叶片3几乎与轴线A对准的最小角α_min旋转到最大角α_max。叶片3的俯视图在下图3中示出。叶片3枢转地连接到毂(未示出)并且围绕轴线R可旋转。在作为非限制性示例在此描述的示例性实施例中，轴线R大致垂直于纵向轴线H；然而，将领会旋转轴线R可以替代地沿着任何取向布置。叶片3包括前缘部分34，后缘部分32，外边缘33，以及内边缘31。

现在参考后面的图4，其示出了根据本发明的涡轮机单元2。涡轮机单元2包括毂1和与其连接的多个叶片3(为了清楚起见仅描绘了一个以确保绘图的可读性)。图3的叶片3对应于参考前面的图2描述的叶片。

更特别地，毂1包括上游和下游区域12和13，以及对于每个叶片3，局部地形成于毂上并且邻近叶片3的内边缘31的凸起区域6。在这里描述的示例性实施例中，凸起区域6布置在毂的下游区域13上。然而，以相同的方式，凸起区域可以替代地或附加地布置在上游区域12上，在叶片31的内边缘31附近。然后在叶片3的内边缘31和凸起区域6之间形成间隙。有利地，毂1包括调节装置，其配置成对于叶片3相对于毂1的角位置α调节间隙的范围。以该方式，实现了涡轮机的改善性能，该间隙取决于操作条件被调节。

此外，本发明不仅限于在与配置成调节间隙的范围的调节装置关联的毂上形成凸起区域。替代地或附加地，毂可以设有中空或倾斜区域。以相同的方式，中空区域局部地形成于叶片3的内边缘31附近。这里描述的以下非限制性示例涉及仅包括凸起区域的毂。然而，在毂中空区域上实施的必要技能也被认为在本领域技术人员的能力和惯用知识内。特别地，可以有利地调节中空区域的深度以调节在中空区域和叶片的内边缘之间延伸的间隙。

因此，一般而言，本发明教导了提供具有凸起区域和/或中空区域的毂，每一个在叶片的内边缘附近局部地形成，凸起区域和/或中空区域在毂主体上分布在下游区域和/或上游区域上。

现在参考下图5，其示出了在围绕H轴线逆时针旋转约45°之后的图3的毂1。叶片3枢转地连接到毂1以便围绕轴线R可旋转，在该非限制性示例中所述轴线大致垂直于毂1的外表面。所以叶片3可以布置成具有不同的角位置。如图中清楚地所示，叶片3围绕轴线R的旋转包括沿着凸起区域6的不同部分的内边缘31的位移。根据第一示例性实施例，凸起区域6限定具有几何形状的外表面61，其成形为使得对于叶片的至少两个角位置，在外表面61和内边缘61之间形成的间隙7的范围是可变的。有利地，外表面61的布置使得对于由角α(未图示)的值指示的叶片的每个角位置，对应于在凸起区域6和叶片的内边缘31之间形成的间隙7的范围。如上所述，间隙7的变化和因此通过调节装置对其进行的控制允许涡轮机单元2的微调以便使其水力性能最大化。取决于布置水力装置的特定应用情况，可能需要用于外表面61的不同类型的几何形状以便优化过程的效率。

下图6和7示出了在取决于角α的在凸起区域6和叶片3的内边缘31之间的间隙7的范围或尺寸方面给出的几何形状的不同优选示例，所述角表示当围绕轴线R旋转时的叶片3的角位置。

特别地，参考图6a，其示出了表示凸起区域的外表面的形状的图形，使得取决于叶片角α的间隙的范围具有带有最小值的曲线趋势。换句话说，当叶片成最小角α_min定位(也就是几乎沿着轴线A定向)时，在凸起区域和叶片的内边缘之间形成的间隙的范围具有最大值。然后它开始递减，直到它达到最小值。其后间隙的范围(换句话说，凸起区域的外表面和叶片的内边缘之间的空间距离)再次开始递增，直到叶片旋转到最大角α_max。在该情况下，外表面可以被认为是山形，并且这种几何形状是大致在图3和4中图示的几何形状。然而，也可以使用其它几何形状。

图6b示出了描述凸起区域的外表面的形状的图形，使得取决于叶片角α的间隙的范围具有包括第一恒定段和跟随的第二递增段的趋势。

图6c和6d的图形示出了示例，其中外表面成形为使得取决于叶片角α的间隙的范围具有递增线趋势。

图7b和7c的图形示出了示例，其中外表面成形为使得取决于叶片角α的间隙的范围具有递减线趋势。

相反地，图7a示出了示例性几何形状，其中取决于叶片角α的间隙的范围具有带有至少局部最小值和局部最大值的曲线趋势。

最后，图7d示出了优选几何形状的另一示例，其中凸起区域的外表面的形状使得取决于角α的间隙的范围由具有最大值的曲线表示。

本领域技术人员将容易理解，本发明不限于上述的凸起区域的示例性几何形状，而是可以取决于涡轮机单元可以在其中操作的特定工作条件来考虑其它几何形状。

此外，现在参考下面的图8，凸起区域6的外表面61的几何形状可以使得一旦叶片已到达操作角位置，凸起区域和叶片的内边缘(未示出)之间的间隙的范围可以沿着叶片的内边缘是可变的。更特别地，图7示出了凸起区域6的侧向横截面，使得外表面61和叶片的内边缘(未示出)之间的间隙的范围从位置B到C是恒定的，并且然后从位置C递增到E.

现在参考下面的图9，其示出了根据本发明的第二示例性实施例的包括毂1′的涡轮机单元2′。特别地，在该情况下，调节装置包括示意性地描绘并用附图标记71指示的旋转机构，所述旋转机构与毂1′的下游区域13关联并且配置成围绕纵向轴线H相对于上游区域12旋转下游区域13。对于给定的叶片角，下游区域13的旋转相对于叶片3发生，从而以与叶片3相对于毂1′的旋转相同的方式相对于叶片3旋转凸起区域6。所以，由于凸起区域6的外表面的几何形状，下游部分13的旋转决定在凸起区域和叶片的内边缘之间形成的间隙的范围的调节。相反地，在凸起区域定位在毂的上游区域上的情况下，旋转机构可以替代地或附加地布置成相对于下游区域13旋转上游区域12。

在该示例性实施例中，毂1′的下游和上游区域是相对于彼此可移动的两个独立部分。而且，毂1′优选地是内部中空的，使得可以在其中容纳旋转机构71。

参见下一个也是最后一个图10，其示出了根据第三优选实施例的包括毂1″的涡轮机单元2″。在该实施例中，调节装置包括示意性地描绘并用附图标记81指示推出/撤回机构，所述推出/撤回机构与凸起区域6关联并且配置成相对于下游区域13或者更一般地相对于毂1″推出或撤回凸起区域6。凸起区域的推出或撤回优选地沿着大致垂直于毂的表面的方向发生，如图中的箭头F指示。然而，方向的位移也可能不垂直于毂。通过推出凸起区域，外表面61接近叶片的内边缘(未示出)，并且相反地，当凸起区域6朝着毂1″的内部撤回时，间隙范围增加。通过作用于机构81，可以在机器的操作期间有利地控制和微调间隙的范围。推出/撤回机构81也可以驻留在毂1″的内部。将容易领会，旋转和推出/撤回机构也可以被整合成能够执行两个操作的单个机构。

凸起区域可以作为凸起区域部分形成于毂上，其可以通过例如模制过程来实现。在另一方面，作为非限制性示例，可以通过加工过程获得中空区域。

也将容易领会，本发明可以以任何组合提供与上述的三个实施例相关的所有特征。因此，可以想到为毂提供三个实施例的所有特征，从而使在凸起区域和叶片之间延伸的间隙的机动性最大化。

尽管已结合仅有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当容易理解本发明不限于这样的公开实施例。而是，本发明可以被修改以包含迄今未描述、但与本发明的精神和范围一致的许多变化、改变、替代或等效布置。另外，尽管已描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的方面可以仅包括所述实施例中的一些。因此，本发明不被视为由前面的描述限制，而是仅由附带的权利要求的范围限制。

Claims

1.一种用于水电装置的涡轮机单元（2、2'、2''），其特征在于，所述涡轮机单元包括

-毂（1、1'、1''）和连接到所述毂（1、1'、1''）的至少一个叶片（3），所述至少一个叶片具有前缘部分（34）、后缘部分（32）、外边缘（33）以及连接到所述毂（1、1'、1''）的内边缘（31），其中间隙在所述毂和所述内边缘（31）之间，所述毂限定纵向轴线H并且至少包括凸起区域（6）和/或中空区域，所述凸起区域（6）或所述中空区域局部地形成于所述至少一个叶片（3）的内边缘（31）附近，所述毂包括调节装置，所述调节装置配置成对于所述叶片相对于所述毂的给定角位置调节在所述凸起区域（6）和/或所述中空区域和所述叶片（3）的内边缘（31）之间形成的所述间隙（7）的范围。

2.根据权利要求1所述的涡轮机单元（2、2'、2''），其特征在于，所述毂包括上游和下游区域（12、13），其中所述凸起区域（6）或所述中空区域在所述下游区域（13）和上游区域（12）中的一个上或中形成。

3.根据权利要求1或2所述的涡轮机单元，其特征在于，所述毂枢转地连接到所述至少一个叶片（3），所述叶片（3）的角位置由在所述叶片（3）的弦线和垂直于所述毂的纵向轴线H的轴线A之间形成的角α限定，所述凸起区域（6）限定外表面（61）和/或所述中空区域具有深度，所述外表面（61）和/或所述深度成形为使得对于所述叶片（3）的至少两个角位置，所述间隙（7）的范围是可变的。

4.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，所述外表面（61）和/或所述深度成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙（7）的范围具有带有最小值的曲线趋势。

5.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，所述外表面（61）和/或所述深度成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙（7）的范围具有包括第一恒定段和跟随的第二递增段的趋势。

6.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，所述外表面（61）和/或所述深度成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙（7）的范围具有递增线趋势。

7.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，所述外表面（61）和/或所述深度成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙（7）的范围具有递减线趋势。

8.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，所述外表面（61）和/或所述深度成形为使得取决于所述叶片角α的所述间隙（7）的范围具有至少带有局部最小值和局部最大值的曲线趋势。

9.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，所述叶片（3）在最小角α_min和最大角α_max之间可移动。

10.根据权利要求3所述的涡轮机单元，其特征在于，对于所述叶片（3）的至少一个角位置，所述凸起区域（6）的外表面（61）和/或所述中空区域的深度成形为使得所述间隙（7）的范围沿着所述叶片（3）的内边缘（31）是可变的。

11.根据权利要求10所述的涡轮机单元，其特征在于，对于所述叶片（3）的至少一个角位置，取决于所述叶片（3）的内边缘（31）的所述间隙（7）的范围包括第一恒定部分和跟随的第二递增部分。

12.根据权利要求2所述的涡轮机单元，其特征在于，所述调节装置包括旋转机构（71），所述旋转机构与所述毂的所述下游或上游区域关联并且配置成围绕所述纵向轴线相对于所述上游区域（12）旋转所述下游区域（13）或相对于所述下游区域（13）旋转所述上游区域（12），从而相对于所述叶片（3）移动所述凸起区域（6）和/或所述中空区域。

13.根据权利要求1所述的涡轮机单元，其特征在于，所述调节装置包括推出/撤回机构（81），所述推出/撤回机构与所述凸起区域（6）和/或所述中空区域关联，所述推出/撤回机构（81）配置成从/在所述毂中推出/撤回所述凸起区域（6）和/或所述中空区域，从而调节所述间隙（7）的范围。

14.根据权利要求13所述的涡轮机单元，其特征在于，所述推出/撤回机构（81）配置成沿着大致垂直于所述毂的表面的方向推出/撤回所述凸起区域（6）和/或所述中空区域。

15.一种水电装置，其特征在于，其包括根据权利要求1或2所述的涡轮机单元（2、2'、2''）。