CN107654329A - 水力涡轮 - Google Patents

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Abstract

一种水力涡轮，包括：具有叶轮(12)的转子，其由定子(11)同心地包绕，由此叶轮(12)包括围绕转子轴线以环布置和分布的多个叶轮叶片(16)，且各个叶轮叶片(16)在叶轮冠部(17)和叶轮带部(18)之间延伸；由此定子(11)包括围绕转子轴线以环布置和分布的多个导向导叶(15)，且各个导向导叶(15)在上定子环(19)和下定子环(20)之间延伸；且由此预定空隙(C)至少设在叶轮带部(18)和下定子环(20)之间。所述叶轮(12)的所述叶轮叶片(16)之间的无导叶间隙(VG)中的压力脉动的充分地减小通过充分地增大所述预定空隙(C)而实现。

Description

水力涡轮
技术领域
本发明涉及水力机器技术。其是指根据权利要求1的前序部分的水力涡轮。
背景技术
当设计水力涡轮时，需要同时达到多个目的。效率表现为主要目的。然而，延伸操作范围和确保机器在稳定性和安全性方面的良好性能变得越来越重要。例如，客户现在需要得到涡轮坑中的低振动水平，因为高强度振动可破坏机器。
这些振动由结构对来自于转子(叶轮(runner))和定子(RSI)之间的相互作用的水力激励的机械响应引起。
图1作为示例示出了弗朗西斯(Francis)类型的水力涡轮的主要部分。图1的水力涡轮10包括具有叶轮12和涡轮轴12a的垂直转子。叶轮12包括围绕转子轴线分布成环的多个叶轮叶片16。转子12、12a由定子11同心地包绕，定子11布置在转子12、12a和包绕的蜗壳13之间。定子11配备有多个固定的和可动的导向导叶15。导向导叶15引导水流，水流穿过蜗壳13以周向方式供应到叶轮叶片15上，以便将叶轮12投入旋转运动。水沿轴向方向穿过引流管14离开叶轮12。
图2中详细示出了定子11关于叶轮12的位置(图1中的虚线圈)。定子11的导向导叶15在上定子环19和下定子环20之间沿垂直方向延伸。叶轮叶片16在叶轮12中在叶轮冠部(crown)17和叶轮带部(band)18之间延伸。叶轮带部18和包绕的下定子环20之间存在预定空隙C。
现在，在所谓的无导叶间隙VG中，叶轮叶片16的在导向导叶15前面的通道尤其在高水头泵涡轮的情况下产生局部振荡压力场(见图3中的压力脉动22)。该动态压力场主要归因于不同频率下展开的导向导叶15和叶轮叶片16的轮廓的任一侧上的压力变化。
减小无导叶间隙VG中的该振荡压力场(或压力波动水平)对于水力机器的设计者和制造者来说是连续的挑战，但存在很少技术来终止该挑战。
文献WO 2008004877 A1公开了一种反动(reaction)类型的水力涡轮，诸如，弗朗西斯或卡普兰(Kaplan)涡轮，其包括转子和包绕的壳体，在转子和壳体之间具有密封器件。在该类型的涡轮中，存在的问题在于大部分损耗与密封泄漏相关。通常使用简单的迷宫式密封件，但它们需要较大的空隙且所以具有较大的损耗。在该背景下，可以说重要的是提供水力涡轮密封系统，其使得有可能使空隙远小于当前的迷宫式和其他常规的密封设计，以便尤其在高水头弗朗西斯涡轮中获得效率改善。提出的密封器件包括刷式密封件，其位于离转子轴线一定径向距离处，其是转子的最大径向大小的主要部分。本公开内容针对以创造性、容易设置和低成本的解决方案来极大地降低波动水平。
文献EP 0565805 A1公开了一种用于控制反动式水力涡轮中的水力压力和功率的脉动的系统。该系统包括用于在扩散器弯头处引入额外的受控制的脉动水流的器件，其一起地或备选地由以下组成：a)扩散器内的在第一收缩位置和第二延伸位置之间的至少一个可动本体；b)至少一个辅助管，其明显平行于扩散器，且连接到具有其自身的入口和出口孔口的所述扩散器上，入口开口定位在由阀控制的扩散器弯头的端部处，且出口开口定位在测压盆附近；所述可动本体和阀以一种方式受控制，以便使扩散器的容积变化来将扩散器中的压力脉动减小到最小，且保持涡轮转子的流、间隙、转矩和功率恒定。
文献US 2004/037698 A1描述了用于弗朗西斯和螺旋桨水力涡轮的出口固定设备。该设备的目的在于消除在除最佳值外的所有涡轮操作范围中由轴向圆形涡流引起的引流管中的强脉动和涡轮效率的损耗，而没有最大效率的可觉察的降低。出口固定设备具有冠部和装固到冠部上的出口固定导叶。在安装在涡轮中时，出口固定冠部直接地位于叶轮冠部之后，叶轮冠部由垂直于涡轮的中心轴线的平面在底部处截平。出口固定冠部与截平的叶轮冠部一起形成叶轮叶片冠部轮廓出口之后的水通道。出口固定导叶围绕涡轮轴线布置成圆形阵列，位于叶轮叶片之后，且在外周处附接到引流管锥上、或附接到出口固定凸缘(其装固到涡轮流量环上或引流管锥上)上。
文献WO 2008/060158 A2涉及一种水力反动式涡轮，其包括叶轮、叶轮下游的引流管、以及用于将水引入引流管中以便减小其中的压力波动的喷射器件，其中引流管壁中的一个或多个开口适于沿引流管的轴向和/或周向方向使喷射的水大致均匀地分布。
根据现有技术的水力涡轮系统的其他示例可在以下文献中找到：JP 55060666，其公开了使涡轮小型化的方法；JP 55051964，其公开了在涡轮中提供开口以减小水推力；JP06074138，其公开了试图减小摩擦损耗的系统；以及US 5290148，其涉及叶轮带部和冠部的厚度、以及关于结构问题的刚度。
发明内容
本发明的目的在于以简单且有效的方式降低无导叶空间(即，叶轮和导向导叶之间的间隙)中的压力波动水平。
根据本发明的方面，提供了一种水力涡轮，其包括叶轮，叶轮可包括叶轮冠部、叶轮带部以及在叶轮冠部和叶轮带部之间延伸的多个叶轮叶片。水力涡轮可包括定子，其优选地包绕叶轮。定子可包括上定子环、下定子环以及在上定子环和下定子环之间延伸的多个导向导叶。
本发明可特征在于，空隙设在叶轮和定子之间，其中空隙优选地布置成使叶轮的叶轮叶片和定子的导向导叶之间的无导叶间隙中形成的压力脉动最小。
空隙可尺寸确定成使得局部振荡压力场优选地减小。空隙的尺寸和位置可取决于定子和转子的大小和形状。
在优选实施例中，空隙可包括叶轮冠部和上定子环之间的第一空隙。第一比率可限定在第一空隙和叶轮冠部的半径之间。优选地，第一比率可在0.02的区域中。备选地，第一比率可小于或大于0.02。
在另一个实施例中，空隙可包括叶轮带部和下定子环之间的第二空隙。第二比率可限定在第二空隙和第二半径之间。优选地，第二比率可在0.02的区域中。备选地，第二比率可小于或大于0.02。
第一比率可大致等于第二比率。备选地，该比率可为不同的。
值得注意的是，现有技术并未考虑如何减小振荡压力场的问题。此外，提供叶轮和定子之间的空隙的特征并未在现有技术中公开，其中空隙布置成使无导叶间隙中形成的压力波动最小。
JP 55060666提供了获得和操纵用于叶轮的内径和宽度的几何数据的示例。在本发明的优选实施例中，空隙大于现有技术中找到的空隙。实际上，JP 55060666的教导内容在于减小叶轮和定子之间的任何空隙，其将对压力脉动具有不利效果。其他改型在现有技术中提供，但并未考虑调整空隙来使压力脉动最小的影响。
根据本发明的第二方面，提供了水力涡轮，其优选地包括具有叶轮的转子，其由定子同心地包绕。优选地，叶轮包括围绕转子轴线以环布置和分布的多个叶轮叶片。各个叶轮叶片可在叶轮冠部和叶轮带部之间延伸。定子可包括围绕转子轴线以环布置和分布的多个导向导叶。各个导向导叶可在上定子环和下定子环之间延伸。预定空隙可至少设在叶轮带部和下定子环之间。
本发明可特征在于，所述预定空隙可相对于现有技术充分地增大，以便阻尼所述叶轮的所述叶轮叶片和所述定子的所述导向导叶之间的无导叶间隙中形成的压力脉动。
根据本发明的优选实施例，所述叶轮冠部可具有第一半径，所述叶轮带部可具有第二半径，由此第一空隙可设在所述叶轮冠部和所述上定子环之间，且第二空隙可设在所述叶轮带部和所述下定子环之间，其中所述第一空隙和所述第一半径之间的比率以及所述第二空隙和所述第二半径之间的比率可各自大于0.02。
特别地，所述第一空隙和所述第一半径之间的比率可等于所述第二空隙和所述第二半径之间的比率。
根据本发明的另一个实施例，所述叶轮冠部可具有第一半径，所述叶轮带部可具有第二半径，由此第一空隙可设在所述叶轮冠部和所述上定子环之间，且第二空隙可设在所述叶轮带部和所述下定子环之间，其中所述第一空隙和所述第一半径之间的比率可为≤0.02，且所述第二空隙和所述第二半径之间的比率可为≥0.02。
根据本发明的另一个实施例，所述叶轮冠部可具有第一半径，所述叶轮带部可具有第二半径，由此第一空隙可设在所述叶轮冠部和所述上定子环之间，且第二空隙可设在所述叶轮带部和所述下定子环之间，其中所述第一空隙和所述第一半径之间的比率可为≥0.02，且所述第二空隙和所述第二半径之间的比率可为≤0.02。
将认识到的是，如技术人员将容易清楚的那样，可容易组合本发明的任何以上方面或实施例的一个或多个方面、实施例和特征。
附图说明
现在借助于不同实施例且参照附图来更严密地论述本发明。
图1示出了弗朗西斯类型的典型水力涡轮；
图2示出为根据图1的涡轮的叶轮和定子之间的间隙的放大细节；
图3示出了用于现有技术设计的图2的间隙中的压力场和压力脉动；
图4示出了(相比于图3)用于根据本发明的实施例的增大间隙的图2的间隙中的压力场和压力脉动；
图5示出了根据本发明的实施例的用于指定空隙增大的各种几何参数；且
图6示出了归因于提出的空隙增大的示例性的压力脉动幅度减小。
参照标号清单
10 水力涡轮(例如，弗朗西斯类型)
11 定子
12 叶轮
12a 涡轮轴
13 蜗壳
14 引流管
15 导向导叶
16 叶轮叶片
17 叶轮冠部
18 叶轮带部
19 上定子环
20 下定子环
21 压力传感器
22 压力脉动
23 转子轴线
C 空隙(径向)
C1,C2,CB 带部空隙
CC 冠部空隙
RC 冠部半径
RB 带部半径
VG 无导叶间隙。
具体实施方式
减小压力波动的已知解决方案基本上聚焦于接近无导叶间隙(VG)区域的构件的设计和形状。
大多数已知和识别到的减小压力波动的方法是：
·改变叶片数目和/或导向导叶数目；
·改变叶轮叶片直径、导向导叶的内径和/或节径；
·改变叶轮的在涡轮入口处的设计，例如，前缘的形状(抛物线形或线性)、叶片的厚度和/或叶片的曲率。
这些解决方案中的一些在以下出版物中识别：Zhigang等人的Pressurefluctuations in the vane-less space of high-head-pump-turbines-A review.Renewable and Sustainable Energy Reviews. 41(2015)965-974。
以上方式具有反效果，如，水力效率降低、水力不稳定性增大，且因此应当找到权衡来达到最低的压力脉动水平。
相比于现有技术的标准，本发明有利地显著增大转子和定子(叶轮和环)之间的机械空隙。用于两个很不同的叶轮的两个项目期间执行的测试示出了空隙相对于现有技术的系统增大时的印象深刻的结果。增大的空隙用作压力脉动的阻尼，从而降低压力脉动的总体水平。
主要优点中的一者是容易设置该解决方案，且还有其仅具有很少的缺点。
充分的空隙增大的阻尼效果在图3和4中示出。
在图3中，根据现有技术实践，叶轮(叶轮带部18)和定子(下定子环20)之间的空隙C1很小。导向导叶15和叶轮叶片16之间的相对运动生成具有来自导向导叶15的压力脉动22的压力场、以及来自叶轮叶片16(图3(a)中的箭头)的相应压力场。两个压力场的相互作用增大了压力(图3(b)中的P(t))，其可由适合的压力传感器21测量。
当脉动可通过加宽的空隙C2从无导叶间隙VG容易地散逸时，显著地增大径向空隙C1→C2(图4(a))具有阻尼效果。测得的压力脉动然后极大减小(图4(b)中的P(t))。
相应的空隙增大在实际项目(305m的标称水头)的开发测试期间执行，且示出了全部范围的水头上的压力波动水平的印象深刻的结果(见图6)，尤其是部分负载(x轴上是0.5)处，该水平从20%减小到10%。
还可见的是，在压力波动的特性曲线上，提出的较大空隙C的效果不仅出现在整个范围的水头上，而且尤其对于中等(50%=130MW)到低输出。这对于指定从部分负载到无负载速度的很低值的应用特别令人感兴趣。
图5示出了上定子环19和叶轮冠部17之间的冠部空隙CC、以及下定子环20和叶轮带部18之间的带部空隙CB。尽管在图5中示为相等，但CC和CB可为不同的。冠部半径RC与冠部空隙CC相关。带部半径RB与带部空隙CB相关。
在现有技术的机器中，典型的CC/RC比率=CB/RB比率为大约0.007(＜0.012)。根据本发明，空隙的增大可指定为CC/RC比率=CR/RB比率＞0.02(测试0.0224和0.0298)。
然而，比率CC/RC和CB/RB两者不需要为相等的，而是可为不同的，同时两个比率大于0.02(CC/RC≠CB/RB且CC/RC＞0.02且CB/RB＞0.02)。
此外，所述第一空隙CC和所述第一半径RC之间的比率CC/RC可为≤0.02，同时所述第二空隙CB和所述第二半径RB之间的比率CB/RB可为≥0.02。
备选地，所述第一空隙CC和所述第一半径RC之间的比率CC/RC可为≥0.02，同时所述第二空隙CB和所述第二半径RB之间的比率CB/RB可为≤0.02。
本发明的优点包括：
·提出的解决方案可大体上应用于水力泵/涡轮。其还可应用于弗朗西斯涡轮(主要用于高水头机器)。
·其给予直接增益，而无额外成本。
·其容易设置。由于其在机械设计中直接考虑，故没有特定的约束。
·对于安装基础，如果这足够(快且廉价)，则仅将增大间隙。
·对于新项目：专用于无导叶间隙中的压力波动水平的降低的设计存在额外且积极的效果。

Claims (10)

1.水力涡轮(10)，包括：
叶轮(12)，其包括叶轮冠部(17)、叶轮带部(18)以及在所述叶轮冠部(17)和所述叶轮带部(18)之间延伸的多个叶轮叶片(16)；和
定子(11)，其包绕所述叶轮，所述定子包括上定子环(19)、下定子环(20)以及在所述上定子环(19)和所述下定子环(20)之间延伸的多个导向导叶(15)，
其特征在于，
所述叶轮(12)和所述定子(11)之间的空隙(C,C1,C2,CB,CC)布置成使所述叶轮(12)的叶轮叶片(16)和所述定子(11)的导向导叶(15)之间的无导叶间隙(VG)中形成的压力脉动(22)最小。
2.根据权利要求1所述的水力涡轮，其特征在于，所述空隙包括：
所述叶轮冠部(17)和所述上定子环(19)之间的第一空隙(CC)，且第一比率(CC/RC)限定在所述第一空隙(CC)和所述叶轮冠部(17)的半径(RC)之间。
3.根据权利要求2所述的水力涡轮，其特征在于，所述第一比率(CC/RC)是0.02。
4.根据权利要求2所述的水力涡轮，其特征在于，所述第一空隙(CC)和所述第一半径(RC)之间的所述第一比率(CC/RC)小于0.02。
5.根据权利要求2所述的水力涡轮，其特征在于，所述第一空隙(CC)和所述第一半径(RC)之间的所述第一比率(CC/RC)大于0.02。
6.根据权利要求2至权利要求4中任一项所述的水力涡轮，其特征在于，所述空隙包括：
所述叶轮带部(18)和所述下定子环(20)之间的第二空隙(CB)，且第二比率(CB/RB)限定在所述第二空隙(CB)和所述第二半径(RB)之间。
7.根据权利要求6所述的水力涡轮，其特征在于，所述第二空隙(CB)和所述第二半径(RB)之间的所述第二比率(CB/RB)是0.02。
8.根据权利要求6所述的水力涡轮，其特征在于，所述第二比率(CB/RB)小于0.02。
9.根据权利要求6所述的水力涡轮，其特征在于，所述第二比率(CB/RB)大于0.02。
10.根据权利要求6至权利要求9中任一项所述的水力涡轮，其特征在于，所述第一空隙(CC)和所述第一半径(RC)之间的所述第一比率(CC/RC)大致等于所述第二空隙(CB)和所述第二半径(RB)之间的所述第二比率(CB/RB)。
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