CN110792550A - 用于水力涡轮的具有叶片间型材的预成型插塞 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于涡轮转轮叶片的叶片间型材(14)，所述叶片间型材(14)包括型材(16)和插塞(18)，插塞(18)形成型材(16)的基座，并旨在用于插入到在叶片中制作的对应的孔(21)中。

Description

用于水力涡轮的具有叶片间型材的预成型插塞
技术领域
本发明涉及水电行业的领域。
背景技术
图1示出了已知的涡轮转轮，其包括布置在冠部4与带6之间的转轮叶片2。这些叶片中的各个在前缘8与后缘10之间延伸，水从后缘10流入尾水管(未在图1上显示)。本申请不仅适用于这样的涡轮(Francis等)以及具有冠部和带的涡轮泵转轮，而且适用于仅具有冠部的涡轮转轮(螺旋桨或Kaplan或斜流等)。
中空的叶片间型材12可安装在这样的水力涡轮中的叶片之间，以便向涡轮流提供通气。更确切地说，如在US 2016/0327012中阐释的那样，将空气注射到水流中，以便增加流过涡轮的水中的溶解氧含量。更确切地说，各个这样的中空的叶片间型材提供位于型材表面中的通气通路和内部通道，以用于使空气从叶片中的空气通道流过而进入流动的水中。然后，注射的空气中的氧转移到贫氧的流动水中，从而随着气泡与周围的水混合而提高溶解氧水平。
这样的叶片间型材的制造及其在叶片上的定位呈现出挑战。
在已组装转轮之后将叶片间型材固定在对应的叶片上：可能难以确保精确地定位叶片间型材，并且在转轮叶片之间仅存在有限的工作空间以用于最终组装和精加工。然而，必须仔细地定位叶片间型材，以防止由于在水力上较差地定向的型材而导致的流分离和气穴。
另一个困难是涡轮转轮的几何形状是大体上固定的，并且在不移除涡轮转轮并替换它的情况下不可修改其几何形状。
因此存在以下问题：找到一种叶片间型材和叶片的新结构，从而实现转轮的更简单的制造过程。
还存在以下问题：找到一种用于减少必须在转轮叶片之间工作的操作员所需的操作数量的过程。
发明内容
本发明首先涉及一种用于涡轮转轮叶片的叶片间型材，所述叶片间型材包括型材和形成型材的基座的插塞。
所述插塞旨在用于插入到在具有空气通道的转轮叶片中制作的对应的孔中。因此，叶片间型材在插塞上预成形，该插塞可定位在转轮叶片上的对应的孔中。
插塞与孔协作来确定处于正确取向的叶片间型材的位置和取向，并提高了可制造性和组装的简易性。因此避免了任何差的取向的可能性。
预加工的叶片间型材插塞的使用解决了以上结合包括叶片间型材的现有技术涡轮而提到的困难。特别地，用于安装叶片间型材的插塞的使用确保了所述型材的单一取向并消除了失准的可能性。
由于已将叶片间型材设计成相对于水流而较好地定向，故确保型材仅可沿一个方向定向减小了在型材以错误的取向安装时可发生的流分离或气穴的可能性。
根据本发明的叶片间型材可包括在型材的至少下部与插塞的上侧的至少部分之间具有至少一个有限曲率半径r的至少一个区或圆角，其减少了负面水力现象，特别是马蹄形涡旋行为。
所述曲率半径r可沿着型材的所述下部的至少部分和插塞的所述上侧的至少部分而为可变的。
因此预加工包括用于减少马蹄形涡旋行为的具有至少一个有限曲率半径r的一个或多个区的叶片间型材的形状，并且该形状减少了最终组装时间并降低了与尺寸需求不相符的风险。
由于在插塞和型材上预制造这样的特征，故在其在涡轮转轮的两个叶片之间的制造期间不需要人工控制，这消除了在小空间中的人工操作。
根据本发明的叶片间型材可包括至少一个通气通道，例如通过叶片间型材的侧面中的至少一个的至少一个槽和/或至少一个孔。
(一个或多个)通气通路可具有复杂的几何形状；不可接近或不容易接近以用于加工已安装的叶片间型材的这样的通路。
此外，清洁或维护或修理这样的通路和/或在型材内部并位于所述通路后方的通道是困难的。当异物已穿过通气通路并卡在其后方的通道中从而引起涡轮的通气潜力降低并降低发电厂下方的尾水渠中的溶解氧水平时，清洁是特别必要的。
还需要使这些通气通路和/或叶片间型材的形状适应于转轮的新操作条件。涡轮转轮的几何形状是固定的，并且仅可通过移除整个涡轮转轮并通过替换它来修改其几何形状(这非常耗时且非常昂贵)。备选地，在不移除整个涡轮转轮的情况下加工通气通路会产生其它困难，这是因为可用于加工的空间减小并且需要专用工具。
由于以上原因，在优选的实施例中，根据本发明的叶片间型材包括至少一个可移除的盖板，所述盖包括：至少一个通气通路，例如至少一个槽和/或至少一个孔；以及固定装置，例如用于至少一个螺钉或螺栓的至少一个孔，其用于将所述可移除的盖固定到所述叶片间型材上，并在需要时从所述叶片间型材拆卸所述可移除的盖。
可执行可移除的盖板、特别是其外表面的详细加工(因为可容易地接近该盖板)，因此提高了准确度并降低了不相符的加工的风险。
此外，由于盖板是可移除的，故可促进通气通路和通气通道的长期维护。当移除盖板时，存在好得多的通向通气通道的入口，从而使得更容易清洁通气通道并移除太大而不能配合通过通气通路的任何异物。
可移除的盖板小于整个叶片间型材，使得重量不是问题，并且可在不拆卸涡轮的情况下移除盖板，从而减少停机时间。
这允许替换损坏的盖板，或通过具有不同几何形状(例如(一个或多个)通气通路和/或型材本身的水力形状的不同几何形状)的不同盖板来替换盖板，从而不需要对整个涡轮进行重大修复。
另一个优点是可直接在可移除的盖板上修改通气通路和/或叶片间型材的几何形状。设计改进和修改可直接结合到可移除且可替换的盖板中，而不需要重大的停机来移除并替换涡轮转轮。
本发明还涉及一种转轮叶片，其包括叶片和根据本发明的以上实施例中的一个的至少一个叶片间型材。
所述至少一个叶片间型材和所述叶片可组装或连结(例如焊接)在一起。
本发明还涉及一种用于制造涡轮转轮的方法，涡轮转轮包括布置在冠部与带之间或者从冠部或从中心毂延伸的转轮叶片，所述转轮叶片中的至少一个是根据本发明的转轮叶片，所述方法包括将所述叶片与至少所述冠部或所述中心毂组装，且然后组装根据本发明的所述至少一个叶片和根据本发明的至少一个叶片间型材。
本发明还涉及一种涡轮转轮，其包括转轮叶片，转轮叶片中的至少一个是根据本发明的转轮叶片，所述转轮叶片布置在冠部与带之间，或者所述转轮叶片从冠部或中心毂延伸。
本发明还涉及一种用于制造转轮叶片的方法，转轮叶片包括叶片和根据本发明的至少一个叶片间型材，所述方法包括：
- 制造包括空气通路和至少一个孔的叶片，至少一个孔适应于容纳所述至少一个叶片间型材的插塞；
- 将所述叶片间型材的插塞定位在所述孔中，并例如通过焊接来将所述插塞与所述叶片组装。
根据本发明的方法提高了涡轮转轮的可制造性。
插塞和孔的组合通过在组装之前固定叶片间型材的位置来改进组装。插塞上的特征(诸如预加工的焊接半径)减少了在最终组装和加工期间焊接这些特征所必要的时间。
在根据本发明的叶片间型材包括内部通道和覆盖所述内部通道的至少部分的可移除的盖板或转轮叶片包括这样的叶片间型材的特定情况下，所述方法包括移除所述可移除的盖板，并且：
- 清洁和/或维护和/或加工所述内部通道和/或所述可移除的盖板的至少一个通气通路；
- 且/或利用另一个可移除的盖板来替换所述可移除的盖板，且/或加工所述可移除的盖板的至少一个通气通路并再次抵靠着所述叶片间型材来将其固定。
根据本发明的方法的优点特别是以上已经提到的优点。
当叶片间型材本身是可移除的时，根据本发明的所述方法可进一步包括以下步骤：从所述叶片移除所述叶片间型材，然后移除所述可移除的盖板并执行以上步骤中的一个。
技术方案1. 一种用于涡轮转轮叶片的叶片间型材(14, 14a)，所述叶片间型材(14, 14a)包括型材(16)和插塞(18)，所述插塞(18)形成所述型材(16)的基座，并旨在用于插入到在叶片中制作的对应的孔(21)中。
技术方案2. 根据技术方案1所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述叶片间型材(14, 14a)包括在所述型材(16)的下部与所述插塞的上侧(20)之间具有有限的曲率半径r的至少一个区(24, 26)。
技术方案3. 根据技术方案2所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述曲率半径r沿着所述型材(16)的所述下部的至少部分和所述插塞的所述上侧(20)的至少部分而是可变的。
技术方案4. 根据技术方案1至技术方案3中的任一项所述的叶片间型材(14,14a)，其特征在于，所述叶片间型材(14, 14a)包括至少一个通气通路，例如通过所述叶片间型材(14, 14a)的侧面(161, 162)中的至少一个的至少一个槽(30)和/或至少一个孔。
技术方案5. 根据技术方案1至技术方案3所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述叶片间型材(14, 14a)包括可移除的盖板(160)，所述盖包括至少一个通气通路(30)和用于将所述可移除的盖板固定到所述型材(16)上的固定装置(161)。
技术方案6. 根据技术方案5所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述至少一个通气通路(30)包括至少一个槽和/或至少一个孔。
技术方案7. 根据技术方案5所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述固定装置(161)包括用于至少一个螺钉的至少一个孔。
技术方案8. 一种转轮叶片，其包括：叶片(2)，所述叶片(2)包括孔(21)；中空的通道；以及至少一个根据技术方案1至技术方案3中的任一项所述的叶片间型材(14, 14a)。
技术方案9. 根据技术方案8所述的转轮叶片，其特征在于，所述叶片(2)和至少一个所述叶片间型材(14, 14a)固定在一起，有利地焊接或螺栓连接或胶合。
技术方案10. 一种涡轮转轮，其包括转轮叶片(2, 2a)，所述转轮叶片(2, 2a)中的至少一个是根据技术方案9所述的转轮叶片，所述转轮叶片布置在冠部(4)与带(6)之间，或者所述转轮叶片从冠部或从中心毂(4a)延伸。
技术方案11. 一种用于制造转轮叶片的方法，所述转轮叶片包括叶片(2)和至少一个根据技术方案1至技术方案3中的任一项所述的叶片间型材(14, 14a)，所述方法包括：
- 制造包括孔(21)的叶片；
- 定位所述叶片间型材(14, 14a)的所述插塞，并将所述插塞与所述叶片组装。
技术方案12. 根据技术方案11所述的方法，其特征在于，所述组装包括将所述插塞和所述叶片焊接在一起。
技术方案13. 一种用于制造涡轮转轮的方法，所述涡轮转轮包括布置在冠部(4)与带(6)之间或者从冠部或从中心毂(4a)延伸的转轮叶片(2)，所述叶片中的至少一个是根据技术方案8或技术方案9所述的转轮叶片，所述方法包括将所述叶片与至少所述冠部或所述中心毂(4a)组装，且然后组装至少一个根据技术方案8或技术方案9所述的叶片(2)和至少一个根据技术方案1至技术方案3中的任一项所述的叶片间型材(14, 14a)。
附图说明
- 图1显示了具有叶片间型材的水电涡轮转轮，
- 图2A-2C是根据本发明的在插塞上的叶片间型材在插入到转轮叶片中的对应的孔中之前的不同视图；
- 图2D显示了可在本发明中实施的通气通路的不同形状，然而可考虑其它几何形状；
- 图3示出了制造包括孔的叶片以便在孔中定位根据本发明的叶片间型材的插塞的步骤；
- 图4显示了具有根据本发明的叶片间型材的单个转轮叶片；
- 图5示出了螺旋桨毂上的叶片上的叶片间型材；
- 图6和图7示出了叶片间型材，其结合具有通气槽的可移除的板。
具体实施方式
图2A和2B显示了根据本发明的叶片间型材14的侧向正视图。图2C是叶片间型材14的部分的放大视图。图2D显示了可在本发明中实施的通气通路的备选形状。然而，可考虑其它几何形状。
叶片间型材14包括由2个侧壁161、162界定的型材16，以及形成型材16的基座的插塞18(图2A、2B)。
如在图3上示出的那样，所述插塞旨在插入到在叶片中制作的对应的孔21中。可分开制造型材16和插塞18且然后将其组装，或者可将其制造为一个单件。
型材16具有适应于水力需求的任何形状。特别地，型材16具有至少一个通气通路，例如通过其壁161和/或162中的至少一个的至少一个槽30(图2A)和/或孔，以用于使空气从叶片循环到水。对于涡轮的操作条件的某些范围而言，一个或多个槽和/或孔可位于型材的两侧161、162上。可注意到，(一个或多个)通气通路可具有其它可能的几何形状：一条或多条直线(如在图2A上的那样)，或分开的直线(图2D上的参考标号30a)，或包括一个或多个孔(图2D上的参考标号30b)，或平行直线(图2D上的参考标号30c)，图2A和2D的所有这些几何形状均可能组合。例如，通路几何形状可包括在下者之中选择的任何形状：圆孔、直槽、人字形、星形、马蹄形等。
应当注意，先前提到或在图2D中示出的几何形状并不限制本发明的范围，并且本领域技术人员可考虑任何其它形状。
插塞基本上在平面XZ(图2A)中延伸，并且具有上侧20和下侧22，上侧20指向型材本身，下侧22在叶片间型材与叶片组装之后面向叶片内侧。插塞由轮廓或外形限制，轮廓或外形在型材16的一侧上具有一个侧面23，且在型材16的另一侧上具有另一个侧面25(图2B)。轮廓可例如具有大体的椭圆形形状。
型材基本上在平面XY中延伸(图2A；因此它基本上垂直于插塞的延伸平面而延伸)。型材在该XY平面中具有长度或延伸度L1(在所述型材的两个最远点之间沿着轴线X测量)，其中型材在任何区段处的长度均小于插塞的长度或延伸度L2。如在图2A中示出的那样，型材的长度可沿y方向变化。例如，L2可在100 mm与700 mm之间；这取决于需求；例如，L2可为大约500 mm或接近于450 mm。超出此范围的其它值是可能的。插塞基本上垂直于平面XY而在平面XZ(图2A)中延伸。
型材沿着垂直于平面XY(图2B)而延伸的Z轴线具有宽度l1(在所述型材的两个最远点之间沿着轴线Z测量)，其中型材在任何区段中的宽度必须小于插塞的宽度l2(在插塞的侧面23、25的两个最远点之间沿着轴线Z测量)。例如，l2可在30 mm与300 mm之间，这取决于需求；例如，l2可为大约50 mm或100 mm。超出此范围的其它值是可能的。
沿着z方向得到型材的厚度。所述厚度可沿着型材的高度变化。例如，基部处的厚度可比顶部处的厚度更长，或反过来。因此，型材的水力形状可为恒定的，或者可沿着型材的高度在长度、厚度或形状上变化。
型材及其插塞可预成形，以具有通常在焊接之后实现的所有属性。特别地，可在型材与插塞的上侧20的交叉点24、26处提供圆角。这样的圆角的示例在图2C上显示：其形成在型材的下部与插塞的上侧20之间具有有限且可能可变的曲率半径r的凸起区。这些圆角减少了交叉点24、26处的负面水力现象(诸如涡流和气穴)，并有助于减小两个表面的交叉点处的机械应力。
在将叶片间型材与叶片组装之前预制造这些圆角，从而避免在已组装的涡轮的2个相邻叶片之间的组装期间人工控制焊接圆角半径，这样的2个相邻叶片之间的空间是有限的。
插塞在图2A-2D上显示为具有平坦的上侧20和下侧22；然而，插塞可具有适应于叶片间型材将位于其处的叶片的表面的任何其它形状。
如可根据图3而理解的那样，型材16及其插塞18与叶片2分开制造。在将叶片安装在如图1上的冠部4与带6之间之前，在叶片中制作孔21(以将叶片中的空气通道连结到中空的叶片间型材，参见图3)，使得插塞可定位并固定(例如但不限于焊接、螺栓连接、胶合......)在其中。优选地，在将叶片安装在如图1上的冠部4与带6之间之后，将型材及其插塞与叶片组装，这比根据现有技术的型材的困难且不精确的定位容易得多，现有技术在于将型材(没有插塞)定位在叶片(叶片中没有孔)上，并且在最佳的可能的(但必定不精确的)定位的情况下将二者原位焊接在一起。备选地，在将叶片安装在冠部4与带6之间之前将型材及其插塞与叶片组装，这也比根据现有技术的组装容易得多。
型材是中空的，并且型材的内部通道通过所述孔21而与叶片内部的通道连通，以用于使空气循环通过叶片，然后通过型材的所述内部通道，且然后通过型材表面中的至少一个通气通路，且最终进入流动的水。
型材与其插塞一起制造。这可在整体中(作为单件)或作为将基部与型材连结的多件式组件来完成。插塞具有配合到在叶片中制作的孔21中的形状(参见图3)，使得插塞可定位并焊接在其中。可通过磨削和抛光来移除围绕插塞的焊缝(在插塞的侧面23、25与孔之间)。更确切地说，孔略微大于且长于插塞，使得在插塞定位在孔的内部之后，可将插塞和叶片容易地焊接在一起。焊缝确保已组装的涡轮转轮的水密性和机械完整性。
备选地，可借助于螺钉或螺栓以及插塞中和叶片中的对应孔，通过螺钉连接或螺栓连接来将插塞固定到叶片，其中一个或多个垫圈可用于水密性。这使得插塞的安装和拆卸更容易。
图4显示了转轮叶片2以及根据本发明的叶片间型材14。在该图上，转轮叶片仅具有一个根据本发明的型材，然而若干根据本发明的型材可在叶片的吸力侧或压力侧上组装在同一叶片上。
根据本发明的涡轮转轮可包括转轮叶片，它们中的至少一个是根据本发明的转轮叶片，所述转轮叶片布置在如图1上的冠部与带之间。
备选地，图5显示了安装在螺旋桨毂4a上的转轮叶片2a，各叶片包括根据本发明的叶片间型材14a，其从叶片的吸力侧延伸到相邻叶片的压力侧。
在图6和图7上示出了本发明的另一个方面，其可与叶片间型材的以上实施例中的一个或多个组合。
叶片间型材的至少一个侧壁161或162的至少一个部分160是可移除的。叶片间型材的另一部分固定到叶片。
所述可移除部分160或盖板包括一个或多个通气通路30，例如至少一个槽和/或孔，以用于向水流提供通气。以上结合图2A和图2D公开了通气通路的其它形状，并且这些形状可适用于根据本发明的该方面的可移除的盖板的通气通路。其它孔161(以及型材的固定部分中的对应孔163，其与孔161对齐)用于利用螺钉来将可移除部分160固定到叶片间型材。可实施其它固定装置，如螺栓或粘合材料。
图6显示了在组装之前的所述叶片间型材14的所述可移除的盖板160和固定部分，并且图7显示了组装在一起的这两个部分。
盖板160足够小，并且可在不拆卸涡轮的情况下容易地移除盖板，从而减少停机时间。
盖板可具有如在图6上示出的基本上正方形或矩形的形状，但可实施其它形状。
从所述叶片间型材移除所述盖板160：
- 提供通向通气通道162(位于盖板的后方)的入口，从而允许清洁和/或维护所述通气通道162，且/或移除太大而不能配合通过通气通路且卡在其后方的任何异物；
- 且/或提供通向(一个或多个)通气通路30的入口，从而允许清洁和/或维护这个/这些通气通路和/或盖板160的外表面和/或内表面；
- 且/或允许修改(一个或多个)通气通路的几何形状或叶片间型材本身的几何形状(因为盖板本身形成叶片间型材的部分，故其几何形状是叶片间型材的几何形状的部分)。
也可利用具有例如不同的(一个或多个)通气槽和/或(一个或多个)孔的另一个可移除部分来替换盖板160。
因此，可容易地替换损坏的盖板(例如具有损坏的通气通路的盖板)，或者可将设计改进集成到涡轮设计中，而不需要重大的停机来移除并替换涡轮转轮。这些修改可直接结合到可移除且可替换的盖板160中。
根据以上实施例的可移除的盖板还可适应于根据已知的技术而与叶片一起制造的型材：它与如以上结合图2A-图3而阐释的安装在插塞上的型材兼容，而且与同叶片一起制作的型材(如在图1上示出的那样)兼容。
可制造转轮，其结合例如根据结合图2A至图3公开的以上实施例的叶片间型材。根据以上实施例的一个或多个可移除的盖板可安装在如此完成的转轮上，从而减少加工时间。

Claims (10)

1.一种用于涡轮转轮叶片的叶片间型材(14, 14a)，所述叶片间型材(14, 14a)包括型材(16)和插塞(18)，所述插塞(18)形成所述型材(16)的基座，并旨在用于插入到在叶片中制作的对应的孔(21)中。
2.根据权利要求1所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述叶片间型材(14,14a)包括在所述型材(16)的下部与所述插塞的上侧(20)之间具有有限的曲率半径r的至少一个区(24, 26)。
3.根据权利要求2所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述曲率半径r沿着所述型材(16)的所述下部的至少部分和所述插塞的所述上侧(20)的至少部分而是可变的。
4.根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述叶片间型材(14, 14a)包括至少一个通气通路，例如通过所述叶片间型材(14, 14a)的侧面(161, 162)中的至少一个的至少一个槽(30)和/或至少一个孔。
5.根据权利要求1至权利要求3所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述叶片间型材(14, 14a)包括可移除的盖板(160)，所述盖包括至少一个通气通路(30)和用于将所述可移除的盖板固定到所述型材(16)上的固定装置(161)。
6.根据权利要求5所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述至少一个通气通路(30)包括至少一个槽和/或至少一个孔。
7.根据权利要求5所述的叶片间型材(14, 14a)，其特征在于，所述固定装置(161)包括用于至少一个螺钉的至少一个孔。
8.一种转轮叶片，其包括：叶片(2)，所述叶片(2)包括孔(21)；中空的通道；以及至少一个根据权利要求1至权利要求3中的任一项所述的叶片间型材(14, 14a)。
9.根据权利要求8所述的转轮叶片，其特征在于，所述叶片(2)和至少一个所述叶片间型材(14, 14a)固定在一起，有利地焊接或螺栓连接或胶合。
10.一种涡轮转轮，其包括转轮叶片(2, 2a)，所述转轮叶片(2, 2a)中的至少一个是根据权利要求9所述的转轮叶片，所述转轮叶片布置在冠部(4)与带(6)之间，或者所述转轮叶片从冠部或从中心毂(4a)延伸。
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