水泵－水輪機的分流葉輪的製作方法

2023-09-23 04:59:55

專利名稱：水泵－水輪機的分流葉輪的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種水泵-水輪機的分流葉輪，該葉輪的長葉片和短葉片沿著葉輪的圓周方向交替分布，以便通過調節短葉片的抽吸側，即用作泵時進水側的前緣形狀而改善泵的渦凹特性。
在水輪機模式中，水泵-水輪機通過導向葉片將流入螺旋型殼體中的水流導入葉輪，從而趨動葉輪，同時通過主軸將當時產生的旋轉力矩輸送給可逆發電機-發動機。
在泵模式中，水泵-水輪機通過發電機-發動機的動力並按照與發電模式相反的方向轉動並驅動葉輪，從而水流從一個導流管被導入葉輪。在這種情況下，葉輪將能量傳遞給水流，從而通過導向葉片和螺旋型殼體將水流泵送入一上部蓄水池中。
在發電作業和泵作業之間可以自由轉換的水泵-水輪機的葉輪包括沿圓周方向等距離分布的多個葉片。葉輪葉片被支撐在位於主軸(轉動軸)側的冠部(葉轂)和位於水道下/外部側的帶部之間。在具有如上所述結構的水泵-水輪機葉輪中，通常葉輪3包括6至7個具有相同幾何形狀的葉輪葉片7，這些葉片沿著葉輪3的圓周方向被固定在冠部8和帶部之間，如圖6所示，其示出了一個帶部被移去的水泵-水輪機，如日本已公開專利No.2000-136766所述。
然而在高級水泵-水輪機中，人們提出了一種所謂的分流葉輪，這是為了在水輪機模式中即使在低水壓和/或部分載荷作業下也能高效地執行作業，並且在水輪機和泵模式中都能防止在進水側產生渦凹。如圖7所示，分流葉輪有如下結構特點。即，短(較短)葉片11被插在相鄰的長(較長)葉片10之間(如日本已公開專利No.2001-90650所述)。
在分流葉輪中，4至6個長短葉片10和11被分別交替設置，葉輪葉片7的總數目比普通的傳統水泵-水輪機的葉輪要多。如前所述，普通水泵-水輪機的葉輪具有6至7個葉片。因此，分流葉輪被當作一種多葉片葉輪，它比傳統葉輪具有更多的葉片。
在多葉片葉輪的情況下，因為隨著葉片數目的增加，在泵操作時在葉片出口側的「滑動」減少，所以水壓-釋放(H-Q)特性改變。為了維持H-Q特性，葉片的直徑和/或葉片角被設計得較小。葉片直徑的減小使得葉輪冠部和帶部的直徑減小，並由於圓盤摩擦損失的減少以及整個機器的小型化而帶來效率的提高。另一方面，通過應用減小葉片角這一方法，在泵操作時水壓釋放的變化較小，也就是說，一定水壓範圍的入攝角的變化變小，從而泵的渦凹特性被改善。不論應用何種方法，即使在部分載荷作業下，相對流動角與葉片角的偏離在水輪機的進水側減小，同時水輪機的進水處渦凹不容易產生。另外，由於對二級流動的控制，通過多葉片形式可以期望獲得壓力波動的減少以及效率的改善。
但是在一具有相同葉片的普通多葉片葉輪中，形成在相鄰葉片之間的出口通道的寬度減小。小的出口寬度不僅帶來製造及維護原型葉輪的困難，而且造成高低壓泵的渦凹特性的不平衡。對於分流葉輪而言，每隔一個有一個短葉片，從而出口寬度不會過分地減小。鑑於以上考慮，分流葉輪能夠有效地應用多葉片葉輪的優點。
圖8是從導流管側方向看分流葉輪投影到與轉動軸垂直的平面上的投影圖。在圖8中，實線代表長葉片10，虛線代表短葉片11。如圖8所示，傳統的分流葉輪具有如下構造。在與轉動軸垂直的投影平面中，射線RL1與長葉片10的前緣(即泵進水側曲邊)的投影線彼此重合。這裡，射線RL1始於轉動軸的中心點O，並經過長葉片10的邊緣線12的冠部側端點P1。主軸的中心點O、邊緣線12的冠部側端點P1以及邊緣線12的帶部側端點Q1都分布在射線RL1上。短葉片11的結構與上述相同。也就是說，在與轉動軸垂直的投影平面中，射線RL2與作為短葉片11前緣的投影線的邊緣線13彼此重合。這裡，射線RL2始於轉動軸的中心點O，並經過短葉片11的邊緣線13的冠部側端點P2。主軸的中心點O、邊緣線13的冠部側端點P2、以及邊緣線13的帶部側端點Q2都分布在射線RL2上。
圖9是一個展開圖，其示意性地示出了在傳統的分流葉輪中帶部側的葉片-葉片間的流動情況。如圖9所示，短葉片11的前緣13位於環形連接相鄰長葉片10的前緣12的假設前緣線ILE的下遊側。在泵作業的一個設計位置，水流以如虛線所示的相應的速度矢量W0流入長葉片10。在這種情況下，渦凹不容易產生，這是因為長葉片10的進水角與水流的流入角之間的差別較小。當作業條件改變為低壓時，泵的排放就會增加。結果，水流以如實線所示的矢量W流入長葉片10。為此，在長葉片10的壓力面上圍繞前緣12就容易產生渦凹CAV。上述趨勢更容易出現在帶部9附近。
泵的渦凹CAV僅在長葉片10上產生，因為通過長葉片的整流水流入短葉片11。在傳統的分流葉輪中，長短葉片10和11之間的水流通道寬度FW如圖9所示那樣窄。因此，當渦凹CAV大量產生時，那部分的水流通道容易被渦凹堵塞，並且水泵-水輪機容易達到臨界渦凹狀態。因此，在傳統分流葉輪的情況下，在低壓作業期間，作業條件變得不穩定，同時泵的效率大大降低，因此不可避免的是水壓作業範圍被限制得窄。
當僅僅把短葉片設計得更短時，長葉片10與短葉片11之間的流道寬度FW變寬，堵塞緩解，但是在水輪機作業時短葉片上的葉片載荷就會下降。葉片載荷的下降意味著更短的葉片不會達到有效的作業，還會在短葉片的進水側引起渦凹特性的惡化。因此，最好不能僅僅縮短短葉片。
這一目標以及其它一些目標可以根據本發明通過提供一種具有長短葉片的水泵-水輪機分流葉輪來實現，這些長短葉片被支撐在冠部和帶部之間，並沿著葉輪的圓周方向交替分布。
其中短葉片在抽吸側的前緣具有如此形成的一條邊緣線，即相對於一條始於葉輪的旋轉中心並經過在垂直於旋轉軸的投影面上的邊緣線的冠部側端點的直線，邊緣線的帶部側端點位於在泵模式時葉輪轉向相反的方向上。
下面將描述優選實施例。
短葉片前緣的邊緣線具有一條直線。
短葉片前緣的邊緣線可以有一條沿分流葉輪旋轉方向彎曲的凸曲線。
短葉片前緣的邊緣線可以由一條直線與一條沿分流葉輪旋轉方向彎曲的凸曲線組合而成。
短葉片前緣的邊緣線可以具有一條沿著分流葉輪旋轉方向彎曲的凹曲線。
根據以上所述本發明的特點，當考慮靠近帶部側葉片-葉片間的流動時，在泵模式期間，本發明的短葉片的前緣比傳統分流葉輪中短葉片的前緣更靠近下遊。因此，長短葉片之間的流道變寬。這樣在低壓作業時就可以避免葉輪輕易地處於臨界渦凹狀態，並且可以擴大水壓作業的範圍。
(第一實施例)

圖1描述的是根據本發明第一實施例的水泵-水輪機分流葉輪。
參考圖1，水泵-水輪機分流葉輪15包括冠部20、帶部21、長葉片17和短葉片18。長葉片和短葉片分別由實線和虛線表示，並且其上下部分被支撐在冠部和帶部上，並沿著葉輪的圓周方向交替分布。對於短葉片18而言，在抽吸側，即泵作業時水流的進口側上，前緣19的邊緣線LE將帶部側端點K1與冠部側端點J1連接起來。在這種情況下，邊緣線LE是一條直線，它不與始於主軸中心點O並經過邊緣線LE在垂直於旋轉軸的投影面上的冠部側端點J1的射線RL重合。對於邊緣線LE而言，相對於在垂直於旋轉軸的投影面上的射線RL，帶部側端點K1位於在泵模式時與葉輪轉向相反的方向上。
在如上所述根據第一實施例的分流葉輪中，帶部21上的短葉片18的葉片長度比傳統的要短。圖2是示出了葉片-葉片間流動以及分流葉輪15的葉輪葉片16在帶部側的分布情況的展開圖。如圖2所示，可以看出如虛線所示，短葉片18b的前緣點被從傳統短葉片18a的前緣點向下遊移去。這就充分地拓寬了水流通道，因為在長葉片17的前緣22附近沒有短葉片18存在。
因此，即使水泵-水輪機在低壓點作業，並且長葉片17的壓力面23上的前緣22附近有渦凹CAV產生並增強，水流通道也很難被堵塞。因此，分流葉輪不容易處於臨界渦凹狀態，並且能夠穩定地作業，同時泵在低壓時的效率改善。此外，流動模式的改善使得壓力作業的範圍擴大到低壓側。
在第一實施例中，短葉片的前緣19被如此形成，即僅有邊緣線LE的帶部側端點K1被移位，從而將冠部側的葉片長度保持得與傳統短葉片18a一樣長。所以，與簡單地縮短短葉片18的葉片長度不同，平均葉片長度變得相對長。因此，水輪機作業期間對短葉片上的葉片載荷以及對進口渦凹特性的影響就被儘可能地降低了。
在這種情況下，短葉片的邊緣線LE的帶部側端點K1最好由下述方法確定。也就是說，相對於射線RL，在與主軸(轉動軸)垂直的投影面上的角度θk1由方程(1)確定。角θk1由連接主軸(轉動軸)的中心點O與帶部側端點K1之間的假想線給出。
θk1≤10°…(1)
在這種情況下，角度θk1在考慮以下一些條件時可以得出最優值。其中一個條件就是低壓泵作業時渦凹特徵的改進。另一個條件是對短葉片18上的葉片載荷分布的影響以及對水輪機作業時進水側產生的渦凹的影響。從經驗上講，如果邊緣線LE在與主軸(轉動軸)垂直的投影面中形成為直線，當角度設置為5°≤θk1≤10°時可獲得最佳平衡效果。
(第二實施例)圖3是根據本發明第二實施例的水泵-水輪機分流葉輪，其中相同的參考標記代表與第一實施例相同的部件。
對於短葉片18而言，在抽吸側，前緣19的邊緣線LE將帶部側端點K1與冠部側端點J1連接起來。在這種情況下，邊緣線LE不與始於主軸中心點O並經過邊緣線LE在垂直於旋轉軸的投影面上的冠部側端點J1的射線RL重合。對於邊緣線LE而言，相對於在垂直於旋轉軸的投影面上的射線RL，帶部側端點K1位於與在泵模式時葉輪轉向相反的方向上。第二實施例與第一實施例的不同之處在於在泵模式下邊緣線LE的形狀是一條相對於葉輪15的轉向RV的凸曲線。
更具體地說，在第二實施例中，與主軸垂直的投影面上的邊緣線LE的極坐標點K(r，θ)滿足下面的方程(2)。在這種情況下，葉輪15的轉向RV被設置為θ的正向，θ的範圍從冠部側端點J1(r0＝0，θ0＝0)到帶部側端點K1(r1，θ1)。r0,10...(2)]]>在第二實施例中，短葉片18的前緣19的邊緣線LE具有凸向葉輪15的轉向RV的形狀，並且帶部側端點K1相對於射線RL位於在泵模式時葉輪轉向相反的方向上。這就可以充分地拓寬水流通道，因為在長葉片17的前緣22附近沒有短葉片18存在。因此，即使水泵-水輪機在低壓點作業，並且在葉片17的壓力面23上在前緣22附近有渦凹產生並增強，水流通道也很難被堵塞。因此，分流葉輪不容易處於臨界渦凹狀態，並且能夠穩定地作業，同時泵在低壓時的效率改善。此外，流動模式的改善使得壓力作業的範圍擴大到低壓側。另外，因為短葉片18的長度不必儘量縮短，於是可以減少對葉片載荷分布的影響，並減小在水輪機作業時對進水側渦凹特性的影響。
第二實施例不限於已描述的那些特徵，還可以進行其它改進。例如，如圖4所示，短葉片18的前緣19的邊緣線LE可以由直線與曲線組合。邊緣線LE包括沿著射線RL的直至中點Km(rm，θm)的直線，以及相對於葉輪15的轉向RV的位於中點Km與帶部側端點K1之間的凸曲線。
(第三實施例)圖5是根據本發明第三實施例的水泵-水輪機分流葉輪，其中相同的附圖標記表示與第一個及第二實施例相同的部件。
對於短葉片18而言，在抽吸側，前緣19的邊緣線LE將帶部側端點K1與冠部側端點J1連接起來。在這種情況下，邊緣線LE不與始於主軸中心點O並經過邊緣線LE在垂直於旋轉軸的投影面上的冠部側端點J1的射線RL重合。對於邊緣線LE而言，相對於在垂直於旋轉軸的投影面上的射線RL，帶部側端點K1位於與在泵模式下葉輪轉向相反的方向上。第三實施例與第一實施例的不同之處在於在泵模式下邊緣線LE的形狀為直線與相對於葉輪15的轉向RV的凹曲線的組合。
更具體地說，在第三實施例中，在與主軸垂直的投影面上的邊緣線LE的極坐標點K(r，θ)滿足下面的方程(3)。在這種情況下，葉輪15的轉向RV被設置為θ的正向，θ的範圍從冠部側端點J1(r0＝0，θ0＝0)到帶部側端點K1(r1，θ1)。r0,10...(3)]]>在第三實施例中，短葉片18的前緣19的邊緣線LE的形狀為凹向葉輪15的轉向RV的凹曲線，並且帶部側端點K1相對於射線RL位於與在泵模式時葉輪轉向相反的方向上。這就可以充分地拓寬水流通道，因為在長葉片17的前緣22附近沒有短葉片18存在。因此，即使水泵-水輪機在低壓點作業，並且在長葉片17的壓力面23上在前緣22附近有渦凹CAV產生並增強，水流通道也很難被堵塞。因此，分流葉輪不容易處於臨界渦凹狀態，並且能夠穩定地作業，同時泵在低壓時的效率改善。此外，流動模式的改善使得壓力作業的範圍擴大到低壓側。尤其是，即使泵作業時在長葉片17的帶部側和冠部側都發生渦凹，渦凹特性也可以通過應用凹曲線形狀而得到極大的改善。另外，因為短葉片18的長度不必儘量縮短，於是可以減少對葉片載荷分布的影響，並減小在水輪機作業時對進水側渦凹特性的影響。
在上述各實施例中，短葉片18的前緣19(泵模式時的進水側)的邊緣線LE按下述方式形成。短葉片具有邊緣線LE，該邊緣線LE是投影到與主軸垂直的一個平面上的前緣。邊緣線LE的帶部側端點相對於射線RL位於與泵模式時葉輪轉向RV相反的方向上，射線RL從主軸中心點O起經過邊緣線LE在與主軸垂直的平面上的冠部側端點J1。為了定位帶部側端點，可以應用各種形狀的邊緣線。即，邊緣線LE的形狀可以是直線、相對於轉向RV的凹曲線或相對於轉向RV的凸曲線，以及這些線的組合。可以根據給定的條件可適當地選擇邊緣線的形狀。
本發明提供了一種水泵-水輪機分流葉輪，它可以避免低壓作業時長葉片上的泵渦凹堵塞長短葉片之間的流道。這種流動模式的改進拓寬了水壓作業的範圍，並提高泵的效率，同時對水輪機作業時特性的影響儘可能的小。
應當注意，本發明不應該被所描述的實施例限定，在由所附的權利要求限定的範圍內可以進行許多其他的改進和改型。
權利要求
1.一種具有長葉片和短葉片的水泵-水輪機分流葉輪，所述長葉片和短葉片被支撐在一冠部和一帶部之間，並且沿著葉輪的圓周方向交替設置，其特徵在於在短葉片的抽吸側的前緣具有一條這樣的邊緣線，即相對於一條始於葉輪旋轉中心並經過邊緣線在垂直於旋轉軸的投影面上的冠部側端點的直線，邊緣線的帶部側端點位於與在泵模式時葉輪轉向相反的方向上。
2.如權利要求1所述的水泵-水輪機分流葉輪，其特徵在於所述短葉片的前緣的邊緣線具有一條直線。
3.如權利要求1所述的水泵-水輪機分流葉輪，其特徵在於所述短葉片的前緣的邊緣線具有一條在泵模式下沿著所述葉輪的旋轉方向彎曲的凸曲線。
4.如權利要求1所述的水泵-水輪機分流葉輪，其特徵在於所述短葉片的前緣的邊緣線具有一條由直線和在泵模式下沿著所述分流葉輪的旋轉方向彎曲的凸曲線組合而成的線。
5.如權利要求1所述的水泵-水輪機分流葉輪，其特徵在於所述短葉片的前緣的邊緣線具有一條在泵模式下沿著所述葉輪的旋轉方向彎曲的凹曲線。
全文摘要
本發明涉及一種水泵－水輪機分流葉輪，所述葉輪上具有長葉片和短葉片，它們被支撐在冠部和帶部上，並且長葉片和短葉片沿著葉輪圓周方向交替設置。相對於一條始於主軸中心點並經過短葉片前緣在垂直於主軸的投影面上的冠部側端點的直線，短葉片前緣的帶部側端點位於與在泵模式下葉輪轉向相反的方向上。
文檔編號F03B11/04GK1453471SQ0312297
公開日2003年11月5日 申請日期2003年4月23日 優先權日2002年4月24日
發明者梅田成實, 手光太郎, 榎本保之, 新井秀忠 申請人:東京電力株式會社, 株式會社東芝