CN1329630C - 轴向辐流式涡轮 - Google Patents

Abstract

提供了一种叶片具有改进形状的轴向辐流式涡轮，能减少产生于叶片表面的气蚀，或减少环绕叶片的二次流。这种轴向辐流式涡轮包括旋转轴、轮冠、多个叶片和轮边。轮冠能绕旋转轴旋转。叶片呈圆周状排列在轮冠上，每个叶片包括一作为后缘的内端。轮边通过叶片与轮冠同轴相连。旋转轴、轮冠、叶片和轮边作为整体在涡轮运转过程中朝涡轮方向旋转。在与旋转轴的中心轴线垂直的垂直平面上，后缘的投影轮廓至少在轮冠侧向涡轮方向的反方向弯曲。

Description

轴向辐流式涡轮

相关申请

本申请以2003年6月16日申请的No.2003-171108和2003年8月11日申请的No.2003-291266两项在先日本专利申请为基础，并要求该两项优先权，参考上述在先专利申请的全部内容并合并到本申请中。

技术领域

本发明涉及一种用于水轮机或泵的轴向辐流式涡轮，特别涉及叶片后缘具有改进形状的轴向辐流式涡轮。

背景技术

轴向辐流式涡轮用于液压机械，包括一种用来发电的可逆式水泵-水轮机。

美国专利4,479,757中描述了一种传统的轴向辐流式涡轮转子。这种传统的轴向辐流式涡轮转子包括若干叶片，其入口(前缘)形状为从轮边侧向轮冠侧、朝向与涡轮运转旋转方向相反的方向弯曲。

美国专利6,135,716中描述了另一种传统的轴向辐流式涡轮转子。这种传统的轴向辐流式涡轮转子包括若干叶片，其入口(前缘)形状为从轮边侧向轮冠侧、朝向涡轮运转的旋转方向弯曲。这种传统的轴向辐流式涡轮转子还包括若干叶片，其出口(后缘)形状为从轮冠侧向轮边侧、朝向涡轮运转的旋转方向弯曲。

同样，日本公开专利特开平8-312517中描述了一种传统的可逆式水泵-水轮机。这种传统可逆式水泵-水轮机的转子具有若干叶片，其后缘从后缘中点向轮边侧朝向与涡轮运转的旋转方向相反的方向弯曲。

日本公开专利特开2000-136766中描述了另一种传统的可逆式水泵-水轮机。这种传统可逆式水泵-水轮机的转子具有若干叶片，其后缘弯曲成使其后缘在涡轮运转的旋转方向上形成凸起。

这些传统轴向辐流式涡轮的叶片形状得到发展以提高水力效率或减少气蚀。因为在如计算流体动力学领域中技术的最新发展，使得发展叶片形状以提高效率仍然存在空间。

尤其地，众所周知，二次流是不沿着流程线的流动，使叶片上的压力分布发生扭曲，并导致水力效率的损失。

发明内容

相应的，本发明一方面的优点就是提供了一种其叶片具有改进形状的轴向辐流式涡轮，可以减少产生于叶片表面的气蚀或减少环绕叶片的二次流。

为了达到上述优点，本发明一方面是提供一种轴向辐流式涡轮，这种轴向辐流式涡轮包括：旋转轴；能与旋转轴一起旋转的轮冠；呈圆周状排列在轮冠上的多个叶片，每个叶片包括一作为后缘的内端和通过叶片与轮冠同轴相连的轮边。其中，旋转轴、轮冠、叶片和轮边做为整体被水驱动，并在涡轮运转过程中朝涡轮方向旋转。其中，在垂直平面上后缘的投影轮廓至少在轮冠侧朝向涡轮运转方向的反方向弯曲，该垂直平面与旋转轴的中心轴线垂直。

此外，本发明另一方面是提供一种可以绕旋转轴线旋转的轴向辐流式涡轮转子。这种转子包括：能绕旋转轴线旋转的轮冠；呈圆周状排列在轮冠上的多个叶片，每个叶片包括一作为后缘的内端；以及通过叶片与轮冠同轴相连的轮边。其中，轮冠、叶片和轮边做为整体被水驱动，并在涡轮运转过程中朝涡轮方向旋转。其中，由参数r和θ构成的极坐标系统被引入到与旋转轴线垂直的垂直平面中，即，(a)原点设定在旋转轴线上，(b)θ的正向设定为涡轮方向，其中垂直平面上后缘的投影轮廓用极坐标系统表示为(c)至少在轮冠侧 $\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{\∂r^2}>0.$

在结合附图的情况下，本发明的进一步特征、方面和优点将通过下列优选实施例的详细描述变得更加明显。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例，从转子的出口侧看到的轴向辐流式涡轮转子的平面图。

图2是根据本发明第一实施例，在涡轮运转中流线中心附近叶片表面周围的压力分布图。

图3是根据实施例，从转子的出口侧看到的轴向辐流式涡轮转子的平面图。

图4是示出了叶片表面压力最小值和后缘投影轮廓上局部最小点处θ值之间关系的特性图。

图5是从涡轮一出口侧看到的叶片的平面图，其中轮边已从转子上移开。

图6是轴向辐流式涡轮转子中传统叶片的示意分解图，示意性地示出了在涡轮运转过程中吸口表面上压力分布的模拟结果。

图7是根据本实施例的轴向辐流式涡轮转子中叶片的示意分解图，示意性地示出了涡轮运转过程中吸口表面上压力分布的模拟结果。

图8是从涡轮一出口侧看到的叶片的平面图，其中轮边已从转子上移开。

图9是示出了θ_b、θ_c和液压损失之间关系的特性表。

具体实施方式

下面将参考图1至4说明根据本发明的第一实施例。

图1是根据本发明第一实施例，从转子的出口侧看到的轴向辐流式涡轮转子5的平面图。换句话说，图1示出了与轴向辐流式涡轮转子旋转轴线垂直的平面上轴向辐流式涡轮转子出口的投影轮廓。多个转子叶片(转子翼)6以圆周排列的方式设置于轮冠7上。转子叶片6的头侧由轮冠7支撑在轮冠边13(也被称为轮冠连接点)上。转子叶片6的底侧由轮边8支撑在轮边边14(也被称为轮边连接点)上。图1示出了其中放置有八个转子叶片6的轴向辐流式涡轮转子5。因此，轮边8通过叶片6与轮冠7同轴相连，旋转轴(未示出)连在轮冠7的中心处。轴向辐流式涡轮转子5被驱动，并在涡轮运转过程中绕旋转轴线朝涡轮方向旋转，该旋转轴线对应于位于旋转轴28相连处的轮冠7中心。在下文中，在涡轮运转过程中的旋转方向被称为涡轮方向。

叶片6的内端被称为后缘12，因为在涡轮运转过程中水从叶片6的内端流出。当叶片6的后缘12投影到与旋转轴线垂直的平面上时，后缘12在该投影平面上形成一相对于涡轮方向的凹面。图1中，涡轮方向示为逆时针方向，转子叶片6的后缘12形成了左向凹面。换句话说，投影平面上后缘12的投影轮廓向涡轮方向的反方向弯曲，并形成一关于涡轮方向反方向的凸起。因此，由于靠近叶片6径向中心的叶片长度与传统的相比得到了延长，叶片表面每个单元长度所产生的压力差就变小了。因此，叶片6的吸口表面的压力相对变得大了，从而抑制气蚀的产生。

图2是根据本发明第一实施例，在涡轮运转中流线中心附近转子叶片6表面周围的压力分布图。实线是传统压力分布曲线S1，虚线是根据本发明第一实施例的压力分布曲线S2。水平轴线显示沿着从前缘到后缘的叶片的位置。如图2所示，叶片6的压力侧表面和吸口侧表面之间叶片的压差与传统压力分布曲线S1相比得到了减小。叶片吸口侧表面的压力相对高，叶片表面上压力最小值不小于发生气蚀的饱和蒸汽压。这表明在根据本实施例的轴向辐流式涡轮转子5中很难产生气蚀，即使是在轴向辐流式涡轮转子5中的流体速度增加、转子叶片表面的压力相对减小的高流速运转点处。

如上所述，根据本发明第一实施例，与传统的涡轮相比气蚀很难产生，即使在具有更大的流速的涡轮运转中。因此，水压效率能够得到提高。或者，使它能在宽的运转范围内运转。

图1所示实施例中、向涡轮方向的反方向凸起而形成的后缘12的投影轮廓还要在下面进一步进行说明。图3是根据该实施例，从转子的出口侧看到的轴向辐流式涡轮转子5的平面图。在图3中，相同的标记用于表示与图1中相应的特征。与图1中相同的元件的详细描述可能省略掉。

因为图3示出了在与轴向辐流式涡轮转子5旋转轴线垂直的平面上轴向辐流式涡轮转子5出口的投影轮廓，所以可以引入使用参数r和θ的极坐标系统，其中：

(a)原点定义为与轮冠7对应的旋转轴的中心轴线处，

(b)θ表示角度，其正向定义为涡轮方向。

使用这种极坐标系统，在垂直平面上后缘12的投影轮廓可以用r和θ的函数来表示，其中，r表示距离轮冠7中心的距离。因为θ的正向设为涡轮方向，函数满足：

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{\∂r^2}>0.$

此外，当表示θ起始值(θ等于零)的角度θ基准线定义为从轮冠7的中心连接到轮冠连接点13的直线(射线)时，后缘12在轮冠7侧的投影轮廓满足：

θ≤0。

在本实施例中，在内圆周边缘(轮边连接点14)和外圆周边缘(轮冠连接点13)每一个上，叶片6的后缘12的投影轮廓具有相同角度θ，θ等于零。这意味着轮边连接点14位于连接轮冠7中心和轮冠连接点13之间的射线上。在这种情况下，后缘12从轮冠连接点13到轮边连接点14的投影轮廓满足：

θ≤0。

因为后缘的投影轮廓在与涡轮方向的反方向上形成凸起，所以在后缘12的投影轮廓上具有θ最小值的点就是局部最小点，此处的θ值被局部最小化。换句话说，在投影轮廓上θ值最小处，投影轮廓的函数满足：

$\frac{\∂\mathrm{\θ}}{\∂r}=0.$

图4为一特性图，示出了叶片表面压力最小值和位于后缘12的投影轮廓上局部最小点处的θ值(被称为θmin)之间的关系。在图4中，标记Zr表示图1和图3中所示的叶片6的数目。

如图4所示，随着θmin在负方向的增加，叶片表面的压力最小值增加。因此，与局部最小点处的θ值相应的沿投影轮廓的θ最小值最好在以下范围内：

$-\frac{1}{4}\frac{360}{\mathrm{Zr}}\≤{\mathrm{\θ}}_{\min }\≤-\frac{1}{12}\frac{360}{\mathrm{Zr}}$ 度。

据此，叶片表面的压力最小值变大了，因此，压力能够变得不小于产生气蚀的饱和蒸汽压。换句话说，轴向辐流式涡轮能够在传统轴向辐流式涡轮的叶片表面上会产生气蚀的范围内进行运转。

下面将参考图5至9说明根据本发明的第二实施例。

图5是从涡轮出口侧(轮边侧)看到的叶片的平面图，其中涡轮的轮边已从转子上移开了。图5中，标记20表示轴向辐流式涡轮转子。标记21表示叶片，标记22表示轮冠。与第一实施例相同，轴向辐流式涡轮转子20包括轮冠22、多个叶片21和轮边(未示出)。标记24表示为前缘，即叶片21的外端，在涡轮运转过程中，水流入其中。标记31表示为后缘，即叶片21的内端，在涡轮运转过程中，水从这里流出。标记28表示连接到轮冠22上的旋转轴(心轴)。旋转轴28的旋转中心被称为O(也被称为CL)，与旋转轴线对应。与第一实施例相同，图5示出了与轴向辐流式涡轮转子20的旋转轴线垂直的平面上轴向辐流式涡轮转子20的叶片的投影轮廓。标记25表示轮边和后缘31相连处的轮边连接点，而标记26表示轮冠22和后缘31相连处的轮冠连接点。

位于与心轴(旋转轴)28的旋转轴线CL垂直的平面上的叶片21后缘31的投影轮廓从轮冠连接点(内圆周侧)26向涡轮方向形成一凹面形状，并形成S形弯曲方式，即在涡轮方向上朝轮边连接点25(外圆周侧)凸起。换句话说，平面上后缘31的投影轮廓朝涡轮方向的反方向弯曲，并在轮冠22侧(靠近轮冠连接点26)形成一相对于涡轮方向反方向的凸起。同时，投影轮廓向涡轮方向弯曲，并在轮边侧(靠近轮边连接点25)形成一相对于涡轮方向的凸起。轮边连接点25位于连接旋转轴线CL和轮冠连接点26之间的射线上。换句话说，后缘31投影轮廓的两端都位于射线上。

在本实施例中，使用参数r和θ的极坐标系统同样可以被这样引入：

(a)原点定义为位于旋转轴28的中心轴线CL处，其与旋转中心O相对应，

(b)θ表示角度，其正向定义为涡轮方向。

叶片21后缘31的投影轮廓被设定成在轮冠连接点26处满足：

$\frac{{\∂}^2\mathrm{\θ}}{\∂r^2}>0,---\left(1\right)$

并且在轮边连接点25处满足：

$\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r^2}<0,---\left(2\right)$

可优选形成一投影轮廓，其在满足公式(1)或(2)的各个部分具有满足下式的θ值：

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}=0,---\left(3\right)$

满足等式(3)的点为图5所示局部最小点M₁和局部最大点SM₁。换句话说，局部最小点M₁是在投影轮廓上满足下式的点：

$\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r^2}>0$ 和 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}=0,$

而局部最大点SM₁是在投影轮廓上满足下式的点：

$\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r^2}<0$ 和 $\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}=0,$

因此，后缘31整体构成S形弯曲。

图6是轴向辐流式涡轮转子中传统叶片的示意分解图，示意性地示出了在涡轮运转过程中吸口表面上压力分布的模拟结果。

图6中，标记7为叶片，标记18为后缘，标记14为轮边(轮边侧根部)，标记15为轮冠(轮冠侧根部)。在图6中，标记SFL表示流线(流动线路)，标记EP表示等压线。在传统叶片7中，与旋转轴线垂直的平面上，后缘18的投影轮廓形成了从轮冠15到轮边14的射线。

如图6所示，压力分布围绕“X”区域产生扭曲，这意味着在“X”区域里产生了朝轮边侧根部14的流动。围绕“X”区域、朝向轮边侧根部14的流动对应于二次流。围绕“X”区域压力扭曲的原因可能是因为沿与轮边14侧和轮冠15侧之间不协调的流线SFL的前缘和后缘18之间的压力差导致。换句话说，沿轮冠15侧的流线SFL的压差大于沿轮边14侧的。

总的来说，前缘和后缘之间的压差能通过缩短叶片的长度得到扩大。在如图5所示的实施例中，与连接旋转轴线CL和轮冠连接点26之间的射线相比，叶片21的长度在轮冠22侧被扩大，在轮边23侧被缩短。这可能使得前缘和后缘之间的压力差在轮边23侧和轮冠22侧之间保持一致，有助于解决如图6中“X”区域所示的压力扭曲。

图7是根据本实施例的轴向辐流式涡轮转子中叶片的示意分解图，示意性地示出了在涡轮运转过程中吸口表面上压力分布的模拟结果。图7中，相同的标记用来表示与图5中相应的特征。标记SFL表示流线(流动线路)，标记EP表示等压线。转子叶片21的后缘31整体构成为S形曲线SC。

如图7所示，图6中轮边侧根部14的前缘13附近所发现的压力扭曲并没有出现。这意味着，沿与流线SFL不同方向的流动很难产生，导致二次流的减少。在吸口表面二次流的减少能提高轴向辐流式涡轮转子的水压效率。尤其是，由于在吸口侧表面没有压力扭曲，轴向辐流式涡轮在部分负荷运转时的涡轮效率能够得到提高。

此外，局部最小点M₁和局部最大点SM₁的位置将借助于图8进行描述。图8是从涡轮出口侧(轮边侧)看到的转子叶片的平面图，其中轮边如图5所示被移开了。与图5中相同的元件用相同的标记进行标注，并且不再详细描述。

图8为一投影图，其中叶片21后缘31投影在垂直于心轴28的旋转中心CL(旋转轴线)的平面上。使用参数r和θ的极坐标系统也能被引入。此时，处于轮冠连接点26的θ值定义为零，位于局部最小点M₁和局部最大点SM₁的θ值分别定义为θ_c和θ_b。在叶片21后缘31的投影轮廓中，轮冠连接点26的圆周位置等于轮边连接点25的圆周位置。换句话说，轮边连接点25的θ和轮冠连接点26的θ为相同值，在这种情况下都等于零。θ_b对应于线HL和连接旋转中心CL和局部最大点SM₁之间的线R₁L之间的角度。θ_c对应于线HL和连接旋转中心CL和局部最小点M₁之间的线R₂L之间的角度。

图9是一示出了θ_b、θ_c和水压损失之间关系的特性图。图中以在不同的θ_c和θ_b值时相同损失的点连接成的曲线示出水压损失。垂直轴线为θ_b值，而水平轴线为θ_c值。θ(θ_c和θ_b)的正向为涡轮方向。在图9中，Zr为转子20上叶片21的数目，虚线为等量损失曲线，从该图看出水压损失在较内侧比外周要小。如图9所示，θ_c和θ_b值可以优选为

$-\frac{1}{2}\frac{360}{\mathrm{Zr}}\&le;{\mathrm{\&theta;}}_c\&le;0$ 度，

和

$0\&le;{\mathrm{\&theta;}}_b\&le;\frac{360}{\mathrm{Zr}}$ 度。

换句话说，因为局部最小点M_j和局部最大点SM_i是满足上述公式(1)，(2)和等式(3)的点，后缘31的投影轮廓具有两个最好满足下式的点：

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}=0,$ $\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r^2}>0$ 和 $-\frac{1}{2}\frac{360}{\mathrm{Zr}}\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;0$ 度

或者，

$\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r}=0,$ $\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;r^2}<0$ 和 $0\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{360}{\mathrm{Zr}}$ 度。

对本领域技术人员来说，从这里所披露的本发明的详述和实践来考虑，本发明的其它实施例是很显然的。同时，前缘的轮廓在与本申请同日申请的、发明名称为“轴向辐流式涡轮”的申请中进行了描述，它也可应用到上述实施例中，以进一步提高性能。

Claims (10)

1.一种轴向辐流式涡轮，包括：

旋转轴；

能与旋转轴一起旋转的轮冠；

呈圆周状排列在轮冠上的多个叶片，每个叶片包括一作为后缘的内端；和

通过叶片与轮冠同轴相连的轮边；

其中，旋转轴、轮冠、叶片和轮边作为整体被水驱动，并在涡轮运转过程中朝涡轮方向旋转，

其中，在与旋转轴的中心轴线垂直的垂直平面上，后缘的投影轮廓至少在轮冠侧朝涡轮运转方向的反方向弯曲。

2.如权利要求1所述的轴向辐流式涡轮，其特征在于：在所述垂直平面上，后缘投影轮廓的两端和旋转轴中心轴线的点位于一条直线上。

3.如权利要求1或2所述的轴向辐流式涡轮，其特征在于：后缘的投影轮廓能够用由在垂直平面内引入的参数r和θ所形成的极坐标系统来这样表示：

(a)原点设在旋转轴的中心轴线处，

(b)θ的起始值设在后缘和轮冠相连的轮冠连接点处，

(c)θ的正向设为涡轮方向，

其中，叶片数量为Zr，

其中，沿投影轮廓的θ最小值在以下范围内

4.如权利要求1所述的轴向辐流式涡轮，其特征在于：垂直平面上后缘的投影轮廓在轮边侧朝涡轮方向弯曲。

5.如权利要求4所述的轴向辐流式涡轮，其特征在于：后缘的投影轮廓能够用由在垂直平面内引入的参数r和θ所形成的极坐标系统来这样表示：

(a)原点设在旋转轴的中心轴线处，

(b)θ的起始值设在后缘和轮冠相连的轮冠连接点处，

(c)θ的正向设为涡轮方向，

其中，垂直平面上后缘的投影轮廓有相对r的θ局部最小点和局部最大点，

其中，叶片数量为Zr，

局部最小点的θ值设为

局部最大点的θ值设为

6.一种可绕旋转轴线旋转的轴向辐流式涡轮转子，其特征在于，包括：

能绕旋转轴线旋转的轮冠；

呈圆周状排列在轮冠上的多个叶片，每个叶片包括一作为后缘的内端；和

通过叶片与轮冠同轴相连的轮边；

其中，轮冠、叶片和轮边做为整体被水驱动，并在涡轮运转过程中朝涡轮方向旋转，

其中，由参数r和θ构成的极坐标系统被引入到与旋转轴线垂直的垂直平面内，该系统规定，

(a)原点设在旋转轴线上，

(b)θ的正向设为涡轮方向，

其中，垂直平面上后缘的投影轮廓在极坐标系统中表示为(c)至少在轮冠侧 $\frac{{\&PartialD;}^2}{\&PartialD;{\mathrm{\&gamma;}}^2}>0,$

其中，当θ的起始值设在后缘和轮冠相连的轮冠连接点处时，至少在轮冠侧，θ值满足

(d)θ＜0。

7.如权利要求6所述的轴向辐流式涡轮转子，其特征在于：后缘投影轮廓两端的θ值基本相同。

8.如权利要求6或7所述的轴向辐流式涡轮转子，其特征在于，

其中，叶片数量为Zr，

其中，后缘投影轮廓具有满足下式的局部最小点，

$\left(e\right)\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;\mathrm{\&gamma;}}=0,$

其中，当θ的起始值设在后缘和轮冠相连的轮冠连接点时，局部最小点的θ值在以下范围内

9.如权利要求6所述的轴向辐流式涡轮转子，其特征在于：后缘的投影轮廓在轮边侧在极坐标系统中表示为

$\left(e\right)\frac{{\&PartialD;}^2\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;{\mathrm{\&gamma;}}^2}<0.$

10.如权利要求9所述的轴向辐流式涡轮转子，其特征在于，其中，叶片数量为Zr，

其中，后缘的投影轮廓具有满足下式的第一和第二点，

$\left(f\right)\frac{\&PartialD;\mathrm{\&theta;}}{\&PartialD;\mathrm{\&gamma;}}=0,$

当θ的起始值设在后缘和轮冠相连的轮冠连接点时，第一点满足

$\left(g\right)-\frac{1}{2}\frac{360}{\mathrm{Zr}}\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;0$ 和

当θ的起始值设在轮冠连接点时，第二点满足

$\left(h\right)0\&le;\mathrm{\&theta;}\&le;\frac{360}{\mathrm{Zr}}$ 和

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