CN1580545A - 轴向辐流式涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴向辐流式涡轮机，它具有改进形状的叶片，可以减小部分负载运行的条件下叶片下游的流动中产生的圆周速度分量，或者减小叶片周围的二次流动。所述轴向辐流式涡轮机包括上冠、多个叶片和下环。上冠可以绕旋转轴线旋转。叶片沿圆周位于上冠上，每个叶片包括作为后缘的内端。下环通过叶片与上冠同轴地连接。距离Rc定义为旋转轴线与后缘的上冠侧端之间的距离。距离Rb定义为旋转轴线与后缘的下环侧端之间的距离。距离Rc与距离Rb满足0.2≤Rc/Rb≤0.4。

Description

轴向辐流式涡轮机

相关申请的交叉引用

本申请是基于2003年8月11日提交的先前日本专利申请No.2003-291266，并且要求该申请的优先权利益，该申请的全部内容在此引用作为参考。

技术领域

本发明涉及用于水轮机或泵的轴向辐流式涡轮机，特别涉及叶片具有改进形状的后缘的轴向辐流式涡轮机。

背景技术

轴向辐流式涡轮机用于发电的水力机械中，包括可逆式泵涡轮机。

一种传统的轴向辐流式涡轮机转轮描述于美国专利4479757中。这种传统的轴向辐流式涡轮机转轮包括这种叶片，叶片的入口(前缘)形状从下环侧到上冠侧朝向与涡轮机运行的旋转方向相反的方向弯曲。

另一种传统的轴向辐流式涡轮机描述于美国专利6135716中。这种传统的轴向辐流式涡轮机转轮包括这种叶片，叶片的入口(前缘)形状从下环侧到上冠侧朝向涡轮机运行的旋转方向弯曲。这种传统的轴向辐流式涡轮机转轮还包括这种叶片，叶片的出口(后缘)形状从上冠侧到下环侧朝向涡轮机运行的旋转方向弯曲。

而且，一种传统的可逆式泵涡轮机描述于日本专利公报(平成)No.8-312517。这种传统可逆式泵涡轮机的转轮具有这种叶片，叶片后缘从后缘的中点到下环侧朝向与涡轮机运行的旋转方向相反的方向弯曲。而且，这种传统类型转轮的后缘，其在子午面(包括旋转轴线的平面)上投影的轮廓在下环侧朝下游拉长，用以提高部分负载运行条件下的水力效率。

另一种传统可逆式涡轮机描述于日本专利公报(平成)No.2000-136766。这种传统类型可逆式泵涡轮机的转轮具有这种叶片，叶片的后缘弯曲成，使后缘在涡轮机运行的旋转方向上形成凸起。

开发这些传统轴向辐流式涡轮机叶片的形状是为了提高水力效率或减小空蚀。由于在诸如计算流体动力学的领域内的技术近期发展，仍存在发展叶片形状的空间，用于提高效率。

特别是，已知不是沿流线流动的二次流使叶片上的压力分布变形，并导致水力效率的损失。

发明内容

因此，本发明一个方面的优点是提供一种具有改进形状的叶片的轴向辐流式涡轮机，它能够在部分负载运行的条件下减小叶片下游的流动中产生的圆周速度分量，或者减小叶片周围的二次流。

为了实现上述优点，本发明的一个方面是提供一种轴向辐流式涡轮机，包括绕旋转轴线旋转的上冠；沿圆周布置在上冠上的多个叶片，每个叶片包括作为后缘的内端；以及通过叶片与上冠同轴地连接的下环，其中，距离Rc可以定义为旋转轴线与后缘的上冠侧端之间的距离，距离Rb可以定义为旋转轴线与后缘的下环侧端之间的距离，距离Rc与距离Rb满足

$\left(a\right)---0.2\≤\frac{R_c}{R_b}\≤0.4$

并且，本发明的另一个方面是提供一种轴向辐流式涡轮机转轮，包括绕旋转轴线旋转的上冠；沿圆周布置在上冠上的多个叶片，每个叶片包括作为后缘的内端；以及通过叶片与上冠同轴地连接的下环，其中，后缘在子午面上的投影轮廓形成在子午面上连接后缘两端的直线内侧，其中子午面是包括旋转轴线的平面，距离Rb可以定义为旋转轴线与后缘的下环侧端之间的距离，最大距离s可以定义为子午面上直线与后缘之间的最大距离，距离Rb与最大距离s满足

$\left(b\right)---0\≤\frac{s}{R_b}\≤0.05$

在一起考虑附图，并从下面优选实施例的详细描述中，将清楚本发明的其它特征、方面和优点。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例包括轴向辐流式涡轮机转轮的中心轴线的半剖视图；

图2是根据第一实施例的转轮叶片6沿水流线的示意性分解剖视图，其中具有从转轮叶片的流动的速度三角形；

图3是根据第一实施例的水力效率曲线，表示在部分负载运行的条件下，水力效率与后缘的Rc/Rb值的关系；

图4是根据本发明第二实施例包括轴向辐流式涡轮机转轮的中心轴线的半剖视图；

图5A和5B是通过流动分析得到的、在轴向辐流式涡轮机的转轮叶片的吸力面上的压力分布图；

图6是水力效率图，显示了通过流动分析得到的水力效率与后缘的Rc/Rb值的关系。

具体实施方式

下面参考图1到3解释根据本发明的第一实施例。

图1是根据本发明第一实施例包括轴向辐流式涡轮机转轮的中心轴线的半剖视图。由于轴向辐流式涡轮机转轮绕中心轴线(也称为旋转轴线)旋转，因此图1中省略了一半图，因为它是对称的轮廓。

如图1所示，轴向辐流式涡轮机转轮5包括上冠7、下环8和多个转轮叶片6。上冠7在旋转轴线1处连接到旋转轴。转轮叶片6沿圆周布置在上冠7上。在图1中，转轮叶片6之一表示为子午面上的投影轮廓，子午面是包括旋转轴线1的平面。下环8连接到转轮叶片6上并且其布置成使旋转轴线1成为中心。这样，下环8通过转轮叶片6同轴地连接到上冠7上。换言之，转轮叶片6绕旋转轴线1沿圆周保持在上冠7与下环8之间。

通过这种结构，水从轴向辐流式涡轮机转轮5的外侧到内侧沿转轮叶片6流动，并朝一个方向整体地驱动轴向辐流式涡轮机转轮5。水在驱动轴向辐流式涡轮机转轮5之后从轴向辐流式涡轮机转轮5向下流出。

转轮叶片6的外端是前缘，是叶片6的入口侧，因为水来自于轴向辐流式涡轮机转轮5的外侧。按相同方式，转轮叶片6的内端是后缘12，是叶片6的出口侧，由此处水朝连接到轴向辐流式涡轮机的尾水管(未图示)流出。

在后缘12上，连接到上冠7的端部称为上冠侧端13。按相同的方式，连接下环8的后缘12的另一端称为下环侧端14。在此实施例中，旋转轴线1和上冠侧端13之间的距离Rc与旋转轴线1和下环侧端14之间的距离Rb具有下面公式(a)描述的关系。

$\left(a\right)---0.2\≤\frac{R_c}{R_b}\≤0.4$

换言之，转轮叶片6的后缘12的形状设计成满足公式(a)。

传统上，此数值即距离Rc与距离Rb之比约为50％。在此实施例中，Rc/Rb值减小，使得从轴向辐流式涡轮机转轮5的流动具有较小的圆周速度分量，特别是轴向辐流式涡轮机的部分负载运行时。

如上所述，从轴向辐流式涡轮机转轮5流出的水朝尾水管(未图示)流动。尾水管的功能是，将从轴向辐流式涡轮机转轮5流出的水的动压力恢复为静水压力。从轴向辐流式涡轮机转轮5流出的水的圆周速度分量在尾水管中产生旋转流动。但希望尾水管中没有旋转流动，因为旋转流动分量不可能在尾水管中恢复为静水压力，这可能导致水力损失。

一般地，转轮叶片6的形状在额定流速的条件下是最佳的。换言之，转轮叶片6设计成，使得在轴向辐流式涡轮机在额定流速的条件下运行时，从轴向辐流式涡轮机转轮5的流动没有圆周速度分量。当其运行在部分负载运行的条件下，尽管轴向辐流式涡轮机转轮5的旋转速度没有改变，但水的流速减小。这将导致从轴向辐流式涡轮机转轮5的流动中的圆周速度分量。并且这将造成尾水管中的旋转流动分量。

图2是与传统转轮叶片相比，根据本发明实施例的转轮叶片6沿水流线的示意性分解剖视图，其中具有从转轮叶片的流动的速度三角形。虚线表示本发明实施例的转轮叶片。实线表示传统的转轮叶片。在图2所示的速度三角形中，U表示旋转速度，是后缘旋转的速度，V表示从转轮叶片6流出的水的相对流速，W表示绝对速度，是U和V的合成速度。

在部分负载运行时，水的流速减小。如图2所示，绝对速度W具有圆周速度分量Vu1a或Vu1b，因为通过减小流速，相对流速V减小。但是本发明实施例的转轮叶片6的长度比传统的转轮叶片长，因为转轮叶片6的形状满足上述的公式(a)。因此，圆周(切向)速度U是转轮叶片6的后缘的旋转速度，与传统转轮叶片(实线所示)相比变得较小。这样，本发明实施例的转轮叶片6产生的圆周速度分量Vu1b可以小于传统转轮叶片产生的圆周速度分量Vu1a。由于圆周速度分量Vu1b减小，在尾水管中的旋转流动分量造成的水力损失也减小。

图3是水力效率曲线，表示在部分负载运行条件下后缘的水力效率与Rc/Rb值的关系。图3中所示的水力效率是通过流动分析得到的。如图3所示，水力效率在公式(a)所示的Rc/Rb值范围内得以提高。这是因为此实施例减小了旋转流动分量，并且尾水管中出现的旋转流动分量不可能恢复为静水压力，并且可能变成损失。因此，在尾水管中产生旋转流动分量的流动圆周速度分量被减小，并且提高了部分负载运行的水力效率。

另一方面，当Rc/Rb值较小时，这意味着距离Rc变小，摩擦损失增大，因为转轮叶片6的长度相对地延长。这样，Rc/Rb值优选地在公式(a)确定的范围内。

根据本发明的第一实施例，Rc/Rb值，即旋转轴线1到上冠端13的距离Rc与旋转轴线1到下环端14的距离Rb之比减小。换言之，转轮叶片6在出口端的位置比较靠近旋转轴线1。因此，转轮叶片6的旋转速度在出口(后缘12)处相对地减小。因此，圆周速度分量在转轮叶片6的内侧减小，这样由于旋转流动分量增大造成的尾水管内损失减小，可以提高涡轮机的整体效率。

下面参考图4到6解释本发明的第二实施例。

图4是第二实施例包括轴向辐流式涡轮机转轮的中心轴线的半剖视图。由于轴向辐流式涡轮机转轮绕中心轴线(也称为旋转轴线)旋转，因此省略了图形的一半，因为它在图4中具有对称的轮廓。相同的符号用于表示与图1中相同的元件，并且省略这些元件的详细描述。

如图4所示，轴向辐流式涡轮机转轮5包括上冠7、下环8和多个转轮叶片6。上冠7在旋转轴线1处连接到旋转轴。转轮叶片6沿圆周布置在上冠7上。下环8连接到转轮叶片6上并且布置成使旋转轴线1成为中心。这样，下环8通过转轮叶片6同轴地连接到上冠7上。与图1相同，转轮叶片6表示为子午面上的投影轮廓，子午面是包括图4中旋转轴线1的平面。转轮叶片6的外端是前缘，是水的入口侧。转轮叶片6的内端是后缘12，是水的出口侧。在后缘12上，连接到上冠7的端部称为上冠侧端13。连接下环8的后缘12的另一端称为下环侧端14。距离Rb定义为旋转轴线1和下环侧端14之间的距离。最大距离s定义为子午面上连接上冠侧端13与下环侧端14的直线与后缘12之间的最大距离。

在此实施例中，转轮叶片6设计成，转轮叶片6的后缘12形成在直线的内侧，此直线是在子午面上连接上冠侧端13与下环侧端14的直线。并且，转轮叶片6设计成，使转轮叶片6的后缘12在子午面上的投影轮廓满足下面的公式(b)，

$\left(b\right)---0\≤\frac{s}{R_b}\≤0.05$

数值s/Rb是最大距离与距离Rb之比。数值s/Rb减小了，从而减小转轮叶片6的入口附近的压力变形。这有助于防止由于转轮叶片6上的压力变形出现二次流。在传统轴向辐流式涡轮机转轮中，s/Rb值的范围约为0.1到0.3。

图5A和5B是通过流动分析得到的转轮叶片6的吸力面上的压力分布图。图5A表示传统轴向辐流式涡轮机转轮，图5B表示根据该实施例的轴向辐流式涡轮机转轮5。在图5A和5B中，相同的符号用于代表与图4中相同的元件。

如图5A所示，压力变形出现在轴向辐流式涡轮机转轮5的传统转轮叶片6的入口附近，其中比值s/Rb约为0.1到0.3。这种压力变形沿转轮叶片6上的压力梯度产生流动分量。该流动分量可能导致二次流，二次流是不沿流线的一种流动。这种二次流的出现导致轴向辐流式涡轮机转轮5中产生损失，使涡轮机效率降低。

另一方面，如图5B所示，与传统转轮叶片相比，转轮叶片6的吸力面上恒定的压力分布线一直移动到转轮叶片6的出口侧。这是因为，与传统后缘相比，后缘12形成时，在后缘12中心部分周围，后缘12朝转轮叶片6的出口侧移动。图5B还表示出，压力变形比图5A所示的传统的压力变形明显减小。

因此，根据该实施例，可以减小转轮叶片上的压力变形。从而可以防止二次流的出现，并可以提高水力效率。

图6是水力效率曲线，表示通过流动分析得到的水力效率与后缘的s/Rb值之间的关系。可以看出，当s/Rb值在0到0.05的范围内时，水力效率提高。因此，当转轮叶片6的后缘12形成时满足上述的公式(b)时，可以提高轴向辐流式涡轮机转轮5的水力效率。

在考虑此说明书以及实施这里披露的本发明时，本发明的其它实施例对本领域的一般技术人员是显而易见的。2004年6月16日提交、代理文档号为016910/0510并且名称为“Francis turbine”的申请中描述的前缘轮廓，和/或2004年6月16日提交、代理文档号为016910/0510并且名称为“Francis turbine”的申请中描述的后缘轮廓可以应用于上述实施例中，用于进一步提高性能。

Claims (2)

1.一种轴向辐流式涡轮机，包括：

可绕旋转轴线旋转的上冠；

沿圆周布置在上冠上的多个叶片，每个叶片包括作为后缘的内端；

以及

通过叶片与上冠同轴地连接的下环；

其中，距离Rc定义为旋转轴线与后缘的上冠侧端之间的距离，

距离Rb定义为旋转轴线与后缘的下环侧端之间的距离；

距离Rc与距离Rb满足

$\left(a\right)0.2\≤\frac{R_c}{R_b}\≤0.4.$

2.一种轴向辐流式涡轮机转轮，包括：

可绕旋转轴线旋转的上冠；

沿圆周布置在上冠上的多个叶片，每个叶片包括作为后缘的内端；

以及

通过叶片与上冠同轴地连接的下环；

其中，后缘在子午面上的投影轮廓形成在子午面上连接后缘两端的直线内侧，其中子午面是包括旋转轴线的平面；

距离Rb定义为旋转轴线与后缘的下环侧端之间的距离，

最大距离s定义为子午面上直线与后缘之间的最大距离；

距离Rb与最大距离s满足

$\left(b\right)0\≤\frac{s}{R_b}\≤0.05.$

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