CN1682030A - 法兰西斯型转轮及带有该转轮的水力机械 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种法兰西斯型转轮，其包括一顶板、一轮箍、以及一些叶片(2)，叶片在顶板与轮箍之间延伸。在叶片(2)与轮箍(4)的连接点(224)附近，叶片(2)线速度(U，D₂₂₄)与所述叶片(2)逸流缘(22)上中线(25，Δ₂₂₄)之间的夹角(β₂₄)在20°到25°之间。按照这种方式，水力机械具有令人满意的性能，同时能提高大负荷条件下的当量功率。

Description

法兰西斯型转轮及带有该转轮的水力机械

技术领域

[01]本发明涉及一种法兰西斯型转轮以及装备有该转轮的水力机械。

背景技术

[02]法兰西斯型转轮可装备到不同类型的水力机械中，例如涡轮机、水泵、或水泵水轮机。法兰西斯型转轮包括一些叶片，这些叶片围绕着一中心转动轴分布，各叶片之间形成了允许水流通过的通道。这些转轮叶片的几何形状被限定为使得水流能在水轮机上产生力矩—对于涡轮机的情况而言、或者能向流体传递运动—对于水泵的情况而言。装备有该转轮的水力机械的输出功率取决于其几何结构以及与其相关的水流落差(chute)的类型。按照这种方式，涡轮机可输出的功率被设置为一个参考值，该参考值是由一台具有相同几何结构的、其转轮出口直径为1米的涡轮机在1米水程落差的条件下所发出的当量功率限定的。在相同的条件下，此功率P₁₁尤其取决于涡轮的转速N₁₁。

[03]从图6可看出，可在一坐标系统中确定出一个最优的工况点A，其中的坐标系统将上述条件下的涡轮机功率P₁₁作为同样条件下转速N₁₁的函数。将涡轮机效率比工况点A效率(rendement)小3.5％时的功率定义为大负荷下的功率P_11FC。在由P₁₁和N₁₁构成的坐标参考系中，确定出一些曲线I₉₉、I₉₈、I₉₇等，在这些曲线上，涡轮机的效率恒等。另外，参考系中还定义了一个值得注意的工况点B，其与工况点A具有相同的横坐标，在该工况点上，涡轮机的功率等于P_11FC。

[04]为每一涡轮机都定义一个在大负荷条件下的当量功率P_11FC，获得该功率的条件即为工况点B的条件。

[05]如图7所示，目前涡轮机在大负荷条件下的当量功率P_11FC都位于第一区域Z₁中，如上文所述，该当量功率被表达为转速N₁₁的函数，这将表明：大负荷下的当量功率P_11FC随转速N₁₁的增大而增大。有时必须要得到在大负荷下的相对较高的当量功率。尤其是，在对现有装机进行改建的情况下，转速N₁₁是设定的，这实际上就会限制常规涡轮机所能达到的功率值P_11FC。

[06]迄今为止，由于认为从技术/经济性的角度考虑上述问题的解决方案是变劣的，所以水力机械设计者尚未真正研究过负荷相对较高条件下当量功率相对于转速N₁₁的关系。

发明内容

[07]本发明通过研究了近似对应于图7所示区域Z₂中水力机械的流量、功率、以及转速，否定了本领域技术人员的这一偏见。事实已证明：通过恰当地选择涡轮的某些特性，能获得具有更高效率的技术方案，从下文的描述可清楚地领会到这一点。

[08]在本发明的设计思想中，本发明涉及一种法兰西斯型转轮，其包括一顶板、一轮箍、以及一些叶片，叶片在所述顶板与所述轮箍之间延伸，这些叶片之间形成了流体的流道。该转轮的特征在于：在转轮中叶片与轮箍连接处的附近，叶片行进线速度与叶片逸流缘(bord de fuite)高度上中线之间的夹角在20°到25°之间。

[09]由于本发明的设计，叶片逸流缘相对于它们线性行进方向的定向对转轮所能输送的大流体流量具有非常重要的效果，这就可实现这样的效果：在不使水力机械的效率恶化的情况下，使机械的功率值显著高于现有技术中水力机械的功率。

[10]根据本发明有利的、但非强制性的方面，该转轮包括下列的一个或多个特征：

[11]-在叶片逸流缘的整个长度范围内，线速度与上述中线之间夹角的最大值小于34°；

[12]-在叶片逸流缘的整个长度范围内，线速度与上述中线之间夹角的平均值在20°到30°之间；

[13]-在叶片击流缘(bord d′attaque)的整个长度范围内，线速度与该叶片中线在击流缘高度上的平均夹角的数值在70°到120°之间；

[14]-在叶片与轮箍的连接点附近，线速度与上述中线之间夹角的数值在70°到120°之间；

[15]-沿与转轮转动轴线平行的方向进行观察，叶片击流缘与逸流缘之间的覆盖角：

[16]·在轮箍所在的高度上，该覆盖角是小于25°的数值；

[17]·在顶板所在的高度上，该覆盖角是小于37°的数值；以及

[18]·在击流缘和逸流缘的长度范围内，该覆盖角的平均值小于31°。

[19]-轮箍具有一个子午线截面，在其中间三分之一高度的范围内，该截面最小直径相对于轮箍的一个直径至少小2％，其中，轮箍的直径是指其与上述叶片逸流缘连接点高度处的直径。

[20]本发明还涉及一种法兰西斯型水力机械，其包括前述的转轮。该机械可由一个涡轮机构成，在1米落差和转轮出口直径为1米的条件下，该涡轮机可输出一个大负荷的当量功率(puissance équivalente)(以千瓦为单位)，该当量功率与涡轮机在相同条件下的转速(以rpm为单位)的比值在0.16到0.175之间。令人惊奇的是，这样的机械能在通常所采用的N₁₁范围内获得令人满意的效率。

附图说明

[21]在阅读了下文参照附图对根据本发明的法兰西斯型涡轮机所作的描述之后，能更加容易地领会本发明，并清楚地认识到本发明其它的优点，其中，下文的描述仅是作为举例，在附图中：

[22]图1中的轴测图表示了根据本发明的法兰西斯型涡轮转轮；

[23]图2表示了图1所示转轮的半子午线剖面；

[24]图3是沿图2中的III线对叶片的型廓所作的展开剖面图；

[25]图4是与图3类似的剖面图，该剖面图是沿图2中的IV线作出的，表示了叶片与轮箍之间的接合区域；

[26]图5是图2到图4所示叶片的俯视图，图中为了清楚起见而去掉了顶板和轮箍；

[27]图6示意性地表示了等效率量的曲线，效率量作为上述条件下涡轮机当量功率和转速的函数；以及

[28]图7表示了不同涡轮机重载当量功率(P_11FC)的分布，其中，当量功率作为其在上述条件下转速的函数。

具体实施方式

[29]图1到图5所示的转轮1包括一些相同的叶片2，这些叶片围绕转轮1的中心转动轴线X-X′分布。在转轮1的径向内侧上部设置一个顶板3，而轮箍4处于叶片2的径向外侧下部的边上。因而，在每对相邻的叶片之间形成一流动通道5，这一通道由顶板3和轮箍4限界。

[30]标号21指代叶片2的击流缘。22指代叶片的逸流缘。213代表击流缘21与顶板3的接合点。214代表击流缘21与轮箍4的接合点。223指代逸流缘22与顶板3的接合点，标号224代表逸流缘22与轮箍4的接合点。

[31]图2中的III线代表沿叶片2的轴对称流的涡面的子午线迹线。箭头E代表该轴对称流。

[32]在图3的图示中，轴对称流E基本上垂直于叶片2行进线速度U的方向，该线速度U等于转轮1每分钟转数与π、以及转轮标称直径的乘积。

[33]标号23指代叶片2与顶板3之间的接合面，该接合面包括点213和223。另外，标号24代表叶片2与轮箍4之间的接合面，该接合面包括点214和224。

[34]标号25指代一虚拟的曲面，其对应着叶片2的中线，也就是说，曲面25对应于与叶片2的两侧面26和27等距的表面。在图3的图面中，曲面25的迹线是与两侧面26和27等距的曲线。

[35]在图3所在平面内，Δ₁代表经过击流缘21、并将中线25延长的直线。β₁代表该直线Δ₁与直线D₁所成的夹角，其中，直线D₁与线速度U平行，并经过击流缘21。

[36]按照相同的方式，Δ₂代表在叶片2逸流缘22所在的高度处、将中线25延长的直线，D₂是一条与逸流缘该高度处的线速度U平行的直线。β₂代表直线Δ₂与D₂之间的夹角。

[37]可以理解：考虑到叶片2基本上是非平面性的，所以在击流缘21和逸流缘22的长度范围内，角度β₁和β₂是变值。

[38]从图4可更为具体地看出，对应于点224处的夹角β₂的角度值β₂₄在20°到25°之间，事实上，在图示的实例中，该夹角等于21°。夹角β₂₄是过点224的中线25延长直线Δ₂₂₄与直线D₂₂₄之间的夹角，直线D₂₂₄平行于线速度U的方向，并经过点224。

[39]夹角β₁₄对应于点214高度处的夹角β₁，该夹角是在直线D₂₁₄与直线Δ₂₁₄之间形成的，其中，D₂₁₄平行于线速度U的方向，并经过点214，直线Δ₂₁₄延长了中线25，并经过点214。该夹角β₁₄的数值在70°到120°之间，如图4所示，该数值优选地是在85°的数量级上。

[40]事实上，每一叶片2都被设计、制造成这样：使得角度β₂在逸流缘22整个长度范围内的最大值小于34°。利用在顶板3与轮箍4之间等距分布的25条流束，还可定义该角度β₂的平均值。优选地是，该平均值在20°到30°之间。

[41]由于夹角β₂采用了这样的数值范围，所以能在不降低转轮1效率的情况下，使逸流缘22高度上的液流具有较高的流量。

[42]类似地，在相同的条件下，在击流缘21的整个长度范围内，角度β₁的平均值在70°到120°之间。

[43]参见图5，在轮箍4的高度上，还可将叶片2的覆盖角₂₄定义为经过轴线X-X′和点224的平面P₂₂₄与经过轴线X-X′和点214的平面P₂₁₄之间的夹角。

[44]按照相同的方式，在顶板3的高度上，叶片2的覆盖角₂₃被定义为经过轴线X-X′和点223的平面P₂₂₃与经过轴线X-X′和点213的平面P₂₁₃之间的夹角。

[45]为了优化水流在通道5中的流动，角度₂₄的数值被选择为小于25°，而角度₂₃的数值被选择为小于37°。此外，可通过求出25个的平均值，而确定出叶片2击流缘和逸流缘之间覆盖角在叶片前/逸流缘长度范围内的平均值，其中，角是经过轴线X-X′和逸流缘22上依次等距分布的各个点的平面P₂₂与经过轴线X-X′和击流缘21上依次等距分布的各个点的平面P₂₁之间的夹角。事实上，该夹角的平均值_m被选择为小于31°。

[46]从图2可更为具体地看出，轮箍4可被分成三个环圈42、43、44，它们的高度h₄₂、h₄₃、h₄₄是相等的，都等于轮箍4总高度h₄的三分之一。对于轮箍3的中间环圈43，可确定出其最小内径D_min，事实上，该内径即为表面41的最小直径。同样也能确定出表面41在点224所在高度上的直径D₂₂₄。

[47]实际上，D_min/D₂₂₄的比值小于0.98，该设计对应着这样的情况：最小直径比直径D₂₂₄至少小2％

Claims (9)

1.法兰西斯型转轮，其包括一顶板、一轮箍、以及一些叶片，所述叶片在所述顶板与所述轮箍之间延伸，所述叶片之间形成液体的流道，

其特征在于：在所述的一叶片(2)与所述轮箍(4)连接处(224)的附近，所述叶片(2)的行进线速度(U，D₂₂₄)与所述叶片在其逸流缘(22)处的中线(25，Δ₂₂₄)之间的夹角(β₂₄)在20°到25°之间。

2.根据权利要求1所述的转轮，其特征在于：在所述叶片(2)逸流缘(22)的整个长度范围内，所述线速度(U，D₂)与所述中线(25，Δ₂)之间夹角(β₂)的最大值小于34°。

3.根据权利要求1或2所述的转轮，其特征在于：在所述叶片(2)逸流缘(22)的整个长度范围内，所述线速度(U，D₂)与所述中线(25，Δ₂)之间夹角(β₂)的平均值在20°到30°之间。

4.根据上述权利要求中任一项所述的转轮，其特征在于：在所述叶片(2)击流缘(21)的整个长度范围内，所述线速度(U，D₁)与所述叶片中线(25，Δ₁)之间夹角(β₁)的数值在70°到120°之间。

5.根据上述权利要求中任一项所述的转轮，其特征在于：在所述叶片(2)与所述轮箍(4)的连接点(214)附近，所述线速度(U，D₂₁₄)与所述中线(25，Δ₂₁₄)之间夹角(β₁₄)的数值在70°到120°之间。

6.根据上述权利要求中任一项所述的转轮，其特征在于：沿与所述转轮(1)转动轴线(X-X′)平行的方向进行观察，所述叶片(2)的击流缘(21)与逸流缘(22)之间的覆盖角：

·在轮箍(4)处，该覆盖角(₂₄)是小于25°的数值；

·在顶板(3)处，该覆盖角(₂₃)是小于37°的数值；以及

·在击流缘和逸流缘的长度范围内，该覆盖角的平均值(_m)小于31°。

7.根据上述权利要求中任一项所述的转轮，其特征在于：所述轮箍(4)具有一子午线截面，在其中间三分之一高度(h₄)的范围(43)内，该截面最小直径(D_min)相对于所述轮箍的一直径(D₂₂₄)至少小2％，其中，所述轮箍的直径(D₂₂₄)是指其与所述叶片(2)逸流缘(22)连接点(224)处的直径。

8.法兰西斯型水力机械，其装备有根据上述权利要求中任一项所述的转轮(1)。

9.根据权利要求8所述的机械，其特征在于：其包括一涡轮机，在1米落差和转轮出口直径为1米的条件下，该涡轮机适于输出一个大负荷条件下的当量功率(P_11FC，以千瓦为单位)，该当量功率与所述涡轮机在相同条件下的转速(N₁₁，以rpm为单位)的比值在0.16到0.175之间。

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