CN1818373A - 法兰西斯式水轮机的叶轮 - Google Patents

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Abstract

这里公开一种法兰西斯式水轮机的叶轮(10)，其中每一个叶轮叶片(13)都有一个含有转折边部(110)的出口边(16)。该转折边部(110)位在该出口边(16)与该叶轮(10)的环圈(11)的连结点(B)的邻近，用来形成一个在该环圈(11)邻近的叶片(13)上的能减少应力的末梢延伸部(130)。这个末梢延伸部(130)能在该出口边(16)与该叶轮环圈(11)连结处附近减少应力集中。

Description

法兰西斯式水轮机的叶轮
技术领域
本发明涉及水力机械，特别是涉及法兰西斯式(Francis-Type)机械叶轮的改进。
背景技术
传统的法兰西斯式叶轮由一个顶部和一个同心的环圈或环及在该顶部和该环之间延伸并将它们连接起来的一组叶片构成。叶轮由于水流的作用能环绕顶部的轴线转动。水流能流过一组叶片中每一对相邻叶片之间所形成的流动路径。每一个叶片都有一条分流边，该边限定在旋转方向前面的负压面和在旋转方向后面的压力面之间的分界线。这条在叶片进水处的边通常被定向成沿该叶轮旋转方向自该环圈向前向该顶部倾斜。
较近一些时候，1998年2月12日刊出的授予Billdal等人的专利WO 98/05863曾公开过一种法兰西斯式水轮机的叶轮，其中每一个叶片都有一条进水边和一条出口边。该叶片的特征是，沿涡轮转动的方向，每一个叶片进水边在该环圈上的连结点位在该叶片进水边在该顶部上的连结点之前，而每一个叶片出口边在该顶部上的连结点位在该叶片出口边在该环圈上的连结点之前。由于该叶片在进水边和出口边之间具有扭曲的外观，这种叶片通常被称为X叶片。
上述法兰西斯式叶轮的叶片会受到静力和动力的应力集中，其焦点是在该叶轮的环圈和该叶片出口边的连结处。这种现象会造成该环圈附近叶片的腐蚀和开裂。另外，这种现象在具有X叶片的叶轮中更为显著。过去为了减少在叶轮叶片内的应力集中点，或是将叶片和环圈的连结处附近加厚，或是将连结叶片和环圈的焊缝圆角加大。但加厚叶片和环圈的连结处附近的尺寸必须相当大才能解除应力集中，这是一个较费钱的解决方案。增加焊缝圆角的尺寸也会增加叶轮的制造费用并能由于焊接材料淀积的增加而引起叶轮扭曲的问题。这两种传统的解决方案通常都会有不平整的表面外廓添加到叶片上，这会在效率和空泡形成性能两个方面对叶轮的水力功效造成负面的冲击。
本发明概要
本发明涉及一种法兰西斯式水轮机的叶轮，其中每一叶轮叶片的出口边都有一个转折的边部。该转折的边部位在出口边和叶轮环圈的连结点的邻近以便为邻近该环圈的叶片形成一个减少应力的末梢延伸部。
由于该叶片在与该环圈邻近的出口边上添加了一个成为末梢延伸部的形状，因而能够减少静力和动力的应力集中。这个叶片的末梢延伸部制造起来比在角部添加材料或加大焊接圆角较少化费，因为这个末梢延伸部只添加很小的叶片体积而能造成可观的应力减少。由于这个末梢延伸部是在水力系统的设计阶段就被构造到叶片内，焊缝仍保持小圆角，因此对水力功效或空泡形成性能不会有负面的冲击。另外还可设想在该顶部和该环圈之间的出口边保持连续的条件下，能将现有的叶轮叶片在该叶片出口边部和该环圈之间的连结部的形状加以改变以便提供该末梢延伸部。
按照本发明的一个实施例所提供的一种法兰西斯式水轮机的叶轮具有一个环圈、一个顶部、和多个具有曲线形状并被连结到该环圈和该顶部的叶片。每一个叶片都有一个适宜面向水轮机内上游的入口水流分流边和一个适宜面向从水轮机到排水管的下游的出口边。该出口边具有一条在该顶部和该环圈之间延伸的连续边。该出口边具有一个位在该环圈邻近而与该环圈会合在第一连结点的转折的边部。该转折的边部形成邻近该环圈的叶片上的减少应力的末梢延伸部。所说第一连结点是指在没有转折边部的情况下在该叶轮旋转方向的下游该环圈和该出口边的预期的连结点。
在一实施例中，当从叶轮的出水口向叶轮内观看时该转折的边部是以锐角与该环圈会合。
在一实施例中，该转折的边部在径向上延伸到该环圈的位移至少为该环圈出水口直径的3％。
附图简要说明
为了更好地理解本发明的性质，可参阅下面的具有附图的举例说明，在附图中：
图1为叶片形状设计为传统型式的法兰西斯式叶轮的透视图，
图2为一稍有不同的简化的透视图示出按照本发明的叶轮的一个实施例，
图3为图2中叶轮的立视图，
图4为从叶轮出水口向叶轮内观看到的图3中的叶轮，
图5为单个叶片的概略的轴向截面(通过顶点的截面)，
图6为按照本发明的叶轮从叶片的抽吸侧沿着轴向看去的相应叶片，
图7为单个叶片从底下往下看的平面图，及
图8a、8b和8c为向叶轮的出水口看去的一个叶片的几个视图，这些视图示出邻近该环圈的叶片的偏转的边部的曲率。
优选实施例
本发明涉及水力机械，特别是涉及法兰西斯式机械在叶轮上的改进。
图1概略地示出一个已知的现有技术的叶轮10，该叶轮有一环圈或环11、和一轮毂或顶部12，在该顶部上以常见的方式连结着多个叶片13。该叶轮10在箭头R的方向上转动，使每一个叶片13在旋转方向的前面形成一个负压面40并在旋转方向的后面形成一个压力面50。应该注意到在图1的叶片形状中每一个叶片13都有一个角部60，在它附近，叶片13的出口边16被连结或结合到该环圈上。就是这个在图1中大约成90度角的角部60使叶片13受到上述的静力和动力的应力集中。
参阅图2到4，按照本发明的叶轮10也有一个顶部12。为使画面清晰，实际上存在的环绕着的环或环圈在图2中被省略。这里与图1的设计相比，不同的是，在将图2中所示的旋转方向考虑进去时，该叶片13的入口水流分流边15是向相反的方向倾斜。图2所示的叶片13属于“X叶片”的设计。在这设计中，从该顶部12到该环圈11可以看到，该叶片的出口边是向前倾斜地延伸。虽然本详细说明迄今为止只涉及具有“X叶片”设计的叶片，但应知道本发明也可用于具有其他形状的叶片，例如图1中所示的叶轮。
在图3中和部分在图4中，多个箭头被添加插入用来指出在叶轮设计中有关的点或位置，这些点能被考虑以便以实用的方式来表达这里所说该特定叶片形状的特征。这些点是：
A-该叶片入口水流分流边15在该环圈11上的结合点或连结点，
B-该叶片出口边16在该环圈上的连结点，
C-该进水边15在该顶部12上的连结点，及
D-该出口边16在该顶部12上的连结点(点D没有在图3中示出)。
图5中的概略的轴向上的截面给出一个较完整而清晰的图示阐明在布置环圈11、顶部12和叶片13时，上述特点A、B、C和D是如何限定的。图5(及图6中的这四个点都用小圆圈指出)。图5还概略地示出该叶轮的转动轴线Ax，其中还指出两个尺寸，即与点D有关的直径Dd和与点B有关的直径DB。在该示出的实施例中，该轴线A，是在垂直方向上延伸。在图5中，该叶片13在该叶轮10内的取向是相对于该水轮机的上游部21和位在该叶轮10的下游的排水管19而被示出的。这里该入口水流分流边15面向该水轮机的上游21而该出口边16面向该水轮机到该排水管19的下游。
图3、4和5示出上述这四个点A、B、C和D如何相对于该转动轴线而在角度上定位。这条轴线在图6中用原点代表。这样图6示出的叶片3就像在图5中的轴向上看到的那样。
在旋转方向R上看去，点A位在点C的前方，而点B比点D超前。这就是能够影响该叶片13的“X叶片”设计的特定而有控制的扭转形状的设计要点。总之，在叶轮的旋转方向看去，该叶片入口水流分流边15在该环圈11上的连结点A应位在该进水边在该顶部12上的连结点C的前方。而且，该叶片出口边16在该环圈11上的连结点B应位在该出口边在该顶部12上的连结点D的前方。
如在图2、4、6和7中可见，本发明涉及到用在叶轮出口处环圈11邻近的叶片13出口边16的形状来减少静力和动力的应力集中。该叶片13包括一个在该环圈11邻近具有尖端形状的末梢延伸部130。在所示的实施例中，该末梢延伸部130是由出口边16上的一个具有温和曲线内凹轮廓的未转折的边部100转变成一个外凸而转折的边部来做到的。该外凸而转折的边部110位在该出口边16与该环圈11的连结点B的邻近并形成该末梢延伸部130。在图4中，从叶轮10的出水口115向叶轮10内看去可以见到，在该转折的边部110与该环圈会合的地方，该末梢延伸部130与该环圈形成一个锐角α。该外凸而转折的边部110通过一个径向位移dR(图7)才能达到该环圈11，该位移dR至少为该环圈11出水口直径DE(图3)的3％。该未转折的边部100和该外凸而转折的边部110会合在一个转折点120上。该转折点120须位移一个径向距离dR才能达到该环圈110在该叶片13的出口边16和该环圈11之间的夹角由于有了该外凸而转折的边部110才能减少，否则当向该叶轮的出水口内看去时上述夹角将是一个钝角。
参阅图8a到8c，其中示出转折叶片部110的各种长度段的形状。图8c示出该出口边16有一在该环圈11邻近的转折点120，在那里该转折的边部110有一外凸的长度段如上所述。在图8b中，转折的边部110的一个可替代的实施例示出在那里该转折的边部110是一个直线的长度段。图8c示出另一个可替代的实施例，在那里该转折的边部110有一内凹/外凹或蛇形的长度段。在图8a到8c的每一个实施例中，该出口边16的未转折的边部100都有一个光滑的或渐变的轮廓，在该转折点120温和地弯曲，没有尖锐的角或边入口到继续转折的边部110内。因此该出口边16在该顶部12和该环圈11之间有一条连续的边。
参阅图6和8a到8c，当未转折的边部100继续延伸如图中的虚线所示时或者如果该出口边16没有该转折的边部110时，该环圈11和该出口边16将会会合在一个预期的连结点B’。而在本例已增添一个转折边部110的情况下，从图上可以看到，该末梢延伸部130所造成的第一连结点B，就转动的方向而言，将位在上述预期连结点B’的下游。
虽然本发明已就各个具体的实施例进行说明，但本行业的行家将会认识到，在权利要求书所提出的精神和范围内，本发明在实施时是可以修改的。

Claims (8)

1.一种法兰西斯式水轮机的叶轮，包括一个环圈(11)、一个顶部(12)及多个具有曲线形状并被连结到该环圈(11)和该顶部(12)上的叶片(13)，每一个叶片(13)都具有一个适于面向该水轮机上游的入口水流分流边(15)和一个适于面向从该水轮机到排水管(19)的下游的出口边(16)，该出口边(16)具有一条在该顶部(12)和该环圈之间延伸的连续的边，还具有一个处在该环圈(11)邻近与该环圈(11)在第一连结点(B)会合的转折的边部(110)，该转折的边部(110)限定一个在该环圈(11)邻近的叶片(13)的减少应力的末梢延伸部(130)，而该第一连结点(B)沿该叶轮(10)的旋转方向(R)看，位在该环圈(11)和该出口边(16)在没有转折的边部(110)的情况所预料的连结点(B’)的下游。
2.权利要求1的叶轮，其特征在于，沿该叶轮的旋转方向看时，该叶片入口边(15)在该环圈(11)上的第二连结点(A)处在进水边在该顶部上的连结点(C)的前方，而该叶片出口边(16)在该环圈(11)上的第一连结点(B)处在出口边在该顶部(12)上的连结点(D)的前方。
3.权利要求1和2的叶轮，其特征在于，该叶片(13)的末梢延伸部(130)与该叶片制成一整体。
4.权利要求1到3之一的叶轮，其特征在于，该转折的边部(110)的长度段的形状从直线形、中凸形和蛇形的组群中选取。
5.权利要求1到4之一的叶轮，其特征在于，当从该叶轮的出水口(115)向该叶轮内观看时，在该转折的边部(110)与该环圈(11)会合处，该末梢延伸部(130)形成一个锐角。
6.权利要求1到5之一的叶轮，其特征在于，该转折的边部(110)自该环圈(11)有一个径向位移(dR)，该位移至少为该环圈(11)的出口直径(DE)的3％。
7.权利要求6的叶轮，其特征在于，该叶片的出口边包括一个弯曲的未转折的边部(100)，而转折的边部(110)在转折点(120)从该弯曲的未转折的边部(100)继续延伸。
8.权利要求7的叶轮，其特征在于，该转折点(120)自该环圈(11)移一径向位移(dR)。
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