水力機械的輪、包括該輪的水力機械及配有該水力機械的能量轉換設備的製作方法

2023-05-17 03:46:46 3

專利名稱：水力機械的輪、包括該輪的水力機械及配有該水力機械的能量轉換設備的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於被強制水流穿過的水力機械的混流式(Francis法蘭西斯)輪。當 水力機械為水輪機時，這種流的作用是帶動輪轉動。當水力機械是水泵時，這種流產生自該 轉動。另外，本發明涉及包括這種輪的水力機械。另一方面，本發明涉及配有這種水力機械 的能量轉換設備。
背景技術：
JP-A-2005 48608描述了一種用於水泵水輪機型水力機械的輪，該輪包括一個軸 對稱的下環(courorme)和多個彎曲的葉片，這些葉片固定至下環或與該下環成一體，並且 每個葉片具有一外周前緣和一中心內後緣。下環與每隔一個葉片的中心內邊緣的連接位於 大半徑的第一圓上，而下環與和所述每隔一個葉片相鄰的各葉片的中心內邊緣的連接位於 更小半徑的第二圓上。在輪的外周區域，下環與中心內邊緣處於第一圓上的葉片的連接位 於下環的周邊上，而下環與中心內邊緣處於小半徑第二圓上的相鄰葉片的連接位於相對下 環周邊的縮進處。JP-A-2005 48 608的輪的這種特殊幾何形狀用於減小當水力機械在穩定 狀態運行時水輪機入口、即輪周邊出現的空穴現象，以便提高其在穩定狀態的水力效率。在現有技術的水力機械以水輪機模式啟動之後或停止前的瞬時狀態，輪承受轉動 的並且異步的徑向力，這些徑向力趨於使輪「偏斜」。在瞬時狀態，這些施加在輪上的徑向 力產生可能非常高的、並因此決定水力機械的組成部件如它的軸或軸承的尺寸的機械應力 級。因此由於這類徑向力，這些組成部件的成本必然增加。

發明內容
本發明的目的尤其旨在通過提出其幾何形狀減小、甚至避免瞬時狀態時轉動徑向 力產生的輪，來克服這一缺點。為此，本發明的目標是由強制水流穿過的水力機械用的混流式輪，該輪包括-圍繞輪的轉動軸線呈迴轉對稱的下環；-多個與下環固定或成一體的彎曲葉片，並且每個葉片具有一外周邊和一內中心 邊緣；其特徵在於，下環與葉片內中心邊緣的連接點大體位於定中心在所述轉動軸線上 的同一圓上；並且，下環與葉片外周邊的連接點位於至少兩個定中心在所述轉動軸線上的 不同圓上。輪的這種幾何形狀引起方位不對稱性，這樣可以明顯減少在瞬時狀態輪承受的徑 向力。根據本發明的單獨或以任何技術上可行的組合考慮的有利但可選的其它特徵-下環與葉片外周邊的連接點位於定中心在所述轉動軸線上的兩個不同圓上，長 葉片的連接點位於第一圓上，短葉片的連接點位於直徑小於第一圓直徑的第二圓上；
-輪另外包括圍繞所述轉動軸線呈迴轉對稱性的、並與所述下環相面對的上冠，葉 片與上冠相固定或成一體，上冠與葉片內中心邊緣的連接點位於定中心在所述轉動軸線上 的同一圓上，並且上冠與葉片外周邊的連接點位於至少兩個定中心在所述轉動軸線上的不 同圓上；-上冠與葉片外周邊的連接點位於定中心在所述轉動軸線上的不同兩個圓上；_ 一方面短葉片、另一方面長葉片，均規則地圍繞轉動軸線分布；_輪包括九個葉片，其中有六個長葉片和三個短葉片，三個短葉片以為120°的角 間距布置於下環上；-輪的葉片數量為偶數個，並且每隔一個葉片為短葉片；-每個短葉片的展開長度為長葉片展開長度的50%到99%的範圍，並優選為長葉 片展開長度的70%到85%的範圍。另外，本發明的目標還在於水力機械，其特徵在於，該水力機械包括如上所述的 輪。因此，符合本發明的水力機械的組成部件的尺寸可被確定成具有更小機械應力、 因此更低成本但該水力機械保持等同性能。另一方面，本發明的目標是配有至少一個如上所述水力機械的能量轉換設備。因此，符合本發明的能量轉換設備與現有技術的設備相比，成本更低而具有相等 性能。


通過下面作為非限定例子給出並參照附圖給出的描述，將更好地理解本發明和也 將更好地體現出來本發明的其他優點，附圖如下-圖1是表示符合本發明的能量轉換設備的原理的剖面圖，該設備配有包括根據 本發明的輪的水力機械；-圖2是沿圖1的虛線II的只是輪的示意剖面圖；-圖3是沿圖1的虛線III的只是輪的示意剖面圖；和-圖4是圖2的輪的局部透視圖。
具體實施例方式圖1所示的設備i包括是混流式(Francis)水泵水輪機的可逆式水力機械M，從 貯槽3給水力機械的轉輪或輪R供水，強制流管道4開通到貯槽3中。運行中，輪R圍繞豎 直的轉動軸線Z旋轉。為了以水輪機工況模式產生電，水力機械M通過繞軸線Z轉動的軸 50與交流發電機5聯接。在貯槽3與輪R之間設置有固定導葉6和活動導葉7，其作用是 引導並調節來自管道4和用於朝排放管8的方向穿過輪R的水流與水流量E。圖2表示包括下環1的輪R的一部分，下環1具有圍繞軸線Z的迴轉對稱性。下 環1具有直徑為D1(1的外周邊10。圖3表示包括上冠(plafond) 12的輪R的一部分，上冠 限定出中心孔11。上冠12也具有呈圍繞軸線Z的迴轉對稱性並與下環1相面對就位。用 D12表示上冠12的外周邊的直徑。外周邊10和中心孔11都對中心在軸線Z上。如圖1和 4所示的，下環1的表面和上冠12的表面具有扭曲形狀，這些扭曲形狀由曲線段圍繞並遠離開軸線Z轉動所產生的。普通混流式輪的下環和上冠的任何形狀都適合於確定符合本發明 的輪的各自的下環表面和上冠表面。輪R另外包括與下環1和上冠12相固定或成一體的九個葉片21和22，這些葉片 圍繞軸線Z延伸在下環1和上冠12之間，如圖4所示。每個葉片21或22具有彎曲的形 狀，並且總體上均呈一螺旋部分的形式。普通葉片的任何曲面都適於確定葉片21或22的 曲面。每個葉片21或22均具有位於下環1周緣的一周邊212、相應地222、以及朝向軸線 Z的一中心邊緣211、相應地221。這裡當物體鄰近軸線Z時該物體稱為「中心」物體，這與 形容詞「周邊」的含義正相反形容詞「周邊」表示遠離軸線Z的物體。當輪R以水輪機工況運行時，外周邊212或222形成葉片21或22的前緣，並且內 中心邊緣211或221形成它的後緣。下文對水輪機工況方式進行的描述採用「前緣」和「後 緣」這些表達；在輪以水泵工況方式運行的情況下，可通過互換這些表達來轉換描述。在輪R的九個葉片21和22中，三個葉片22的展開長度小於其它六個葉片21的 展開長度。因此葉片22被稱作「短」葉片，而葉片21稱作「長」葉片。在下環1的中心區，分別用B21和B22表示下環1與每個葉片21或22的後緣211、 221相連接的點。點B21和B22位於定中心在軸線Z上的、直徑為D2(l的同一中心圓上。因此， 所有葉片21和22都延伸直到直徑為D2(1的中心圓C2(1。在下環1的周邊區，用A21表示下環1與每個長葉片21的前緣212相連接的點。點 A21位於定中心在軸線Z上、且直徑為D21的第一圓C21上。同樣，用A22表示下環1與每個短 葉片22的前緣222相連接的點。點A22位於定中心在軸線Z上、且直徑D22小於第一圓直徑 D21的第二圓C22上。因此，點A21比點A22更靠近下環1的邊緣10。第一圓C21和第二圓C22 各自的直徑D21和D22、以及中心圓C2(1的直徑D2(1都小於邊緣10的直徑D1Q。換句話說，短葉片22向下環1邊緣10的延伸沒有長葉片21延伸得遠。這就是為 什麼短葉片22的展開長度要小於長葉片21的展開長度的原因。因此，葉片21和22的各 自的點A21和A22位於均定中心在軸線Z上、並且分別具有不同直徑D21和D22的不同兩個圓 C21 和 C22 上。根據本發明的一未示出的變型，下環與前緣的連接點可以位於多於兩個的不同圓 上，例如位於三個圓上。圖3表示葉片21和22在輪R的上冠12上的布置定位。以與下環1和葉片21、22 相連接類似的方式，在上冠12的中心區中，分別用G21和G22表示上冠12與每個葉片21或 22的後緣211、221相連接的點。點G21和G22位於定中心在軸線Z上、並且直徑為D4(1的共 同中心圓C4(1上。因此，所有葉片21和22延伸直到直徑為D4(1的該共同中心圓C4(1。在上冠12的周邊區域，用F21表示上冠12與每個長葉片21的前緣212進行連接 的點。點F21位於定中在軸線Z上、並且直徑為D41的第三圓C41上。同樣，用F22表示上冠 12與每個短葉片22的前緣222相連接的點。點F22位於定中心在軸線Z上、並且直徑D42小 於第三圓直徑D41的第四圓C42上。實際中，根據配有輪R的水力機械的期望功率，下環1的邊緣10的直徑D1(l可以在 0. 4m到10m的範圍。根據下環1的所選擇的尺寸，第一圓的直徑D21可以在直徑D1(l的90% 到100%的範圍，並且第二圓的直徑D22可以在直徑D21的70%到99%的範圍、並優選在直 徑D21的80%到95%的範圍。根據為上冠12所選擇的尺寸，第三圓的直徑D41可以在直徑D12的90%到100%的範圍，並且第四圓的直徑D42可以在直徑D41的70%到99%的範圍、優 選在直徑D41的80%到95%的範圍。根據輪R的特徵，特別是它的尺寸和它用於以穩定狀態轉動的轉動頻率，每個短 葉片22的展開長度可以在長葉片21展開長度的50%到長葉片21展開長度的99%的範圍 中。長葉片21的展開長度可以在點A21和B21之間、或者在點F21和G21之間測量出。同樣， 短葉片22的展開長度可以在點A22和B22之間或在點F22和G22之間測量出。優選地，短葉片 22的展開長度是在長葉片21展開長度的70%到長葉片21展開長度的85%之間。因此，如 果長葉片21的展開長度是lm，則短葉片21的展開長度可以例如為0. 8m。為了保證輪R的良好的動態平衡，一方面短葉片22、和另一方面長葉片21，全都規 則地分布在輪R的轉動軸線Z周圍。在該例中，三個短葉片22以相互間為120°的角間距 a22布置在下環1上。兩個長葉片21以規則的間隔位於兩個相繼的短葉片22之間，並且 對於兩個相鄰的長葉片21，其角間距為40°，而對於之間布置有一個短葉片22的兩個長葉 片21，其角間距為80°。短葉片和長葉片的其它分布也是可以的。因此可以設置偶數個數量的葉片，例如 十個葉片，其中每隔一個葉片為短葉片而每兩個短葉片之間是一個長葉片，短葉片和長葉 片都圍繞輪的轉動軸線規則地分布。符合本發明的輪可以減小、甚至避免在帶有普通葉片的輪上產生的徑向力，尤其 在以水輪機方式投入運行或停止的瞬時狀態時。已經發現，令人吃驚的是，符合本發明的輪 允許減小在瞬時狀態輪所承受的徑向力的強度。根據其應用對輪葉幾何形狀的最優化，還 允許進一步減小該強度。因此，符合本發明的水力機械的輪和軸的徑向偏斜減小，甚至為零。因此，這降低 了水力機械的成本，因為可以減小它的尺寸。這裡已經結合水泵水輪機型的可逆式水力機械對本發明進行了描述。但是，本發 明也應用於水輪機類型的「簡單」水力機械。
權利要求
用於被強制水流(E)穿過的水力機械(M)的混流式輪(R)，所述輪包括 圍繞所述輪(R)的轉動軸線(Z)呈迴轉對稱的下環(1)； 多個彎曲的葉片(21、22)，這些葉片固定至所述下環(1)或與所述下環成一體，每個葉片具有一外周邊(212、222)和一內中心邊緣(211、221)；其特徵在於，所述下環(1)與所述葉片(21、22)的內中心邊緣(211、221)的連接點(B21、B22)大體位於定中心在所述轉動軸線(Z)上的同一圓(C20)上；並且，所述下環(1)與所述葉片(21、22)的外周邊(212、222)的連接點(A21、A22)位於都定中心在所述轉動軸線(Z)上的至少兩個不同圓(C21、C22)上。
2.如權利要求1所述的輪(R)，其特徵在於，所述下環(1)與所述葉片(21、22)的外周 邊(212、222)的連接點(A21、A22)位於定中心在所述轉動軸線(Z)上的兩個不同圓(C21、C22) 上，長葉片(21)具有位於第一圓(C21)上的連接點(A21),短葉片(22)具有位於第二圓(C22) 上的連接點(A22),所述第二圓(C22)的直徑(D22)小於所述第一圓的直徑(D21)。
3.如權利要求1或2所述的輪(R)，其特徵在於，所述輪另外包括上冠(12)，所述上冠 (12)是圍繞所述轉動軸線(Z)呈迴轉對稱的並與所述下環(1)相面對地就位，所述葉片 (21,22)固定至所述上冠(12)或與該上冠成一體；所述上冠(12)與所述葉片(21、22)的內 中心邊緣(211,221)的連接點(G21, G22)位於定中心在所述轉動軸線(Z)上的同一圓(C40) 上；並且，所述上冠(12)與所述葉片(21、22)的外周邊(212、222)的連接點(F21、F22)位於 都定中心在所述轉動軸線(Z)上的至少兩個不同圓(C41、C42)上。
4.如權利要求2和3所述的輪(R)，其特徵在於，所述上冠(12)與所述葉片(21、22) 的外周邊(212、222)的連接點(F21、F22)位於都定中心在所述轉動軸線(Z)上的兩個不同 _ (C41 > C42) J:。
5.如權利要求2和權利要求3至4中任一項所述的輪(R)，其特徵在於，所述短葉片 (22)規則地分布在所述轉動軸線(Z)周圍並且所述長葉片(21)規則地分布在所述轉動軸 線(Z)周圍。
6.如權利要求2和權利要求3至5中任一項所述的輪(R)，其特徵在於，所述輪包括九 個葉片，其中六個長葉片(21)和三個短葉片(22)，所述三個短葉片(22)以為120°的角間 距(α22)布置在所述下環(1)上。
7.如權利要求2和權利要求3至5中任一項所述的輪(R)，其特徵在於，所述輪具有偶 數個葉片；並且，每隔一個葉片為短葉片。
8.如權利要求2和權利要求3至7中任一項所述的輪(R)，其特徵在於，每個短葉片 (22)的展開長度在長葉片(21)展開長度的50%到長葉片(21)展開長度的99%的範圍，優 選在長葉片(21)展開長度的70%到長葉片(21)展開長度的85%的範圍。
9.水力機械(M)，其特徵在於，所述水力機械包括如上述權利要求中任一項所述的輪(R)。
10.能量轉換設備(i)，其特徵在於，所述能量轉換設備配有至少一個如權利要求9所 述的水力機械(M)。
全文摘要
混流式輪(R)包括圍繞輪(R)的轉動軸線(Z)呈迴轉對稱的下環(1)；和彎曲的並與下環(1)連在一起的葉片(21、22)，每個葉片具有一外周邊(212、222)和一內中心邊緣(211、221)。下環(1)與葉片(21、22)的內中心邊緣(211、221)的連接點(B21、B22)位於定中心在轉動軸線(Z)上的同一圓(C20)上。下環(1)與葉片(21、22)的外周邊(212、222)的連接點(A21、A22)位於至少兩個定中心在轉動軸線(Z)上的不同圓(C21、C22)上。
文檔編號F03B3/12GK101960091SQ200980108139
公開日2011年1月26日 申請日期2009年2月13日 優先權日2008年2月15日
發明者C·塞古芬, F·馬祖吉, J·B·烏德蘭, M·H·庫斯東, S·拉維涅 申請人:阿爾斯通水電設備法國公司