液力能的轉化設備和這類設備的控制方法

2023-10-09 16:00:29 2

專利名稱：液力能的轉化設備和這類設備的控制方法
技術領域：
本發明涉及將液力能轉化為電能或機械能的轉化設備，這類設備包括液力渦輪機、將強制水流引向渦輪機的引水導道、和當該強制水流離開渦輪機時排送該水流的排送導道。
背景技術：
在已知的設備中，渦輪機的輪體下遊的水流根據渦輪機的運行點波動，渦輪機的運行點特別是取決於向渦輪機導引的水流量。在某些運行點，趨於形成通常被定義為「炬 (torches)，，的渦流或湍流，並且引起壓力和/或功率的波動。為了回應這種問題，已知地，例如在文獻W0-A-2005/038243中，配備軸同輻流式渦輪機的輪體，輪體具有一尖端，尖端包括兩個表面，分別地在輪體的轉動軸線的方向上是會聚的和發散的，這在很大程度上對湍流進行限制。然而，在某些工況下，湍流依然存在。為了消除這種效率損失，在文獻US-A-2007/0009352中設計可回縮的葉片。這些可回縮的葉片並不適於渦輪機的所有運行點，和在某些運行條件下，這種可回縮的葉片對設備效率的影響是非常負面的。已知地在文獻JP-A-57108468中，在渦輪機的輸出流的排送導道中，在一固定葉片上部安裝在轉動方面是活動的一葉片。至少在某些工況，固定葉片對流動形成幹擾。此外，空化(cavitation)的問題會伴隨已知的設備突然出現。

發明內容
本發明更為特別地旨在通過提出如上所述類型的能量轉化設備來消除這些弊端， 在其中，在排送導道中經過的水流可被穩定，而不在設備的不同運行點降低設備的效率。為此，本發明涉及如上所述類型的設備，在其中，每個導引葉片在圍繞與排送導道的壁體相交的一軸線的轉動方面是活動的，這種設備包括葉片圍繞其轉動軸線的角位置的控制部件，和每個在轉動方面活動的葉片在排送導道的壁體中是可回縮的，和設備包括該葉片在壁體中嵌插的調節部件。藉助於本發明，可能的是，調適所述導引葉片的取向、以及導引葉片相對於排送導道或吸水導道的壁體凸出的方式，同時考慮到水流在離開渦輪機時可能的轉動分量的方向。根據本發明的有利的但非強制性的方面，這類設備可包括一個或多個下述特徵， 根據所有技術上可行的組合-控制部件能夠根據水流的至少一表示參數固定導引葉片的角位置。-該或每個在轉動方面活動的葉片相對於排送導道的壁體，從該導道內部是可拆卸的。作為變型，設備包括進入排送導道的壁體的外表面的一進入槽道，和該或每個葉片相對於該壁體，從該槽道是可拆卸的。-每個葉片與滑動安裝的一活塞，平行於葉片的轉動軸線，相對於在壁體上固定的一構件，相連在一起，和包括葉片和活塞的一子組件以具有圍繞葉片的轉動軸線轉動的可能性被安裝，和在於該子組件包括與子組件的在圍繞葉片的轉動軸線的轉動方面的驅動部件進行配合的部件。-每個活動葉片在其轉動軸線兩側延伸。-設備包括多個在轉動方面活動的導引葉片，每個圍繞與排送導道的壁體相交的一軸線在轉動方面是活動的，和控制部件按分組的方式作用在導引葉片上。作為變型，控制部件單個地作用在導引葉片上。本發明還涉及可與如上所述的設備一起使用的一種方法，和更為特別地，液力能轉化為電能或機械能的轉化設備的一種控制方法，所述轉化設備包括一液力渦輪機，將一強制水流引向渦輪機的一引水導道和排送從渦輪機出離的水流的一排送導道，和水流在排送導道中的至少一導引葉片，其特徵在於，該方法包括一步驟，該步驟在於控制水流在排送導道中的每個導引葉片的圍繞與排送導道的壁體相交的一軸線的角位置，以及一步驟，該步驟在於控制每個活動葉片在排送導道的壁體中嵌插的位置。該方法可包括一或多個下述有利的和作為選擇的特徵-葉片的角位置根據水流的至少一表示參數進行控制，尤其是流量。-設備包括分布在排送管的壁體上的多個葉片，和對葉片的位置按分組的方式進行控制。作為變型，對每個葉片的位置單個地進行控制。-通過對一腔室——腔室布置在從屬於一子組件的一本體中和由與葉片相連在一起的一活塞界定——供給或不供給來自引水導道的承壓水，來控制每個活動葉片在排送導道的壁體中的嵌插位置。


通過閱讀接下來的對根據本發明的原理的設備和其控制方法的兩實施方式的描述——該描述僅作為示例給出且參照附圖，本發明將更好地得到理解，且本發明的其它優點將更為清晰地得到展示，附圖中-圖1是根據本發明的第一實施方式的設備的軸向剖面的原理示意圖；-圖2是圖1的細節II的放大比例視圖；-圖3是在圖1的設備的第一使用構型中的速度分布的展開示意圖；-圖4是在轉動方面活動的葉片在對應圖3的速度分布的一位置中的，在圖2的箭頭Fl的方向上的正視圖；-圖5是與圖3相似的示意圖，但設備在其它條件下運行；-圖6是與圖4相似的視圖，但設備在圖5所示的條件下運行；和-圖7是與圖2相似的視圖，用於根據本發明的第二實施方式的設備。
具體實施例方式在圖1到圖6上示出的設備I包括軸同輻流式渦輪機1，其輪體2用於通過來自未顯示的貯水池的強制水流E被施以圍繞一垂直軸線)(2的轉動。與輪體2相連在一起的軸體3與交流發電機4相聯接，交流發電機根據輪體2的轉動，向未顯示的一電網發送交流電流。設備I從而允許將水流E的液力能轉化為電能。設備I可包括由貯水池進行供給的多個渦輪機1。作為變型，軸體3可與一機械組件相聯接，在此情形下設備I將水流E的液力能轉化為機械能。供給管道5允許將水流E帶至輪體2，且在貯水池和水箱6之間延伸，所述水箱配有對水流E進行調節的導流葉片61。在渦輪機1的下遊設置一導道8，用於排送水流E和將水流送回所述貯水池從之進行供給的河床。該導道8有時被定義為吸水導道。設置一控制單元10，用於尤其是根據從交流發電機4進行供電的電網的電力需要，和根據對於水流E可用的水流量，來控制渦輪機1。控制單元10能夠規定設備I的多個運行點，並且分別地向交流發電機4和導流葉片61發送控制信號S1和&。導道8包括一上遊部分81，所述上遊部分是基本垂直的、截錐形的且在輪體2的轉動軸線\上定中心。導道8還包括一下遊部分82，下遊部分在基本水平的一軸線\2上定中心。由於軸線)(82與水平面形成小於20°的一角度，軸線)(82是基本水平的。實際上，軸線)(82可在水流E的方向上略微上升。90°的一彎管83將導道8的部分81和82相連接。為了在水流E經過輪體2後使水流E穩定，導道8在其上遊部分81中配有多個葉片20，葉片從上遊部分81的壁體84起，在軸線)(82的方向上凸出。這些葉片20用於由從離開輪體2的、沿著壁體84流動的水流E部分地觸碰。這些葉片從而在排送導道或吸水導道8中對水流E產生影響。圖1——其是在包括垂直軸線&的一垂直平面中的剖面——示出兩葉片20。實際上，葉片數目20根據部分81的直徑和對於水流E所設置的流量被選擇。如在圖2上更為特別地示出，每個葉片20與一活塞21相連在一起，活塞安裝在一圓柱形本體22中，本體的底座是環形的，在垂直於壁體84的一軸線)(22上定中心。活塞21配有密封墊圈211和212， 並且與一桿體23相連在一起，杆體橫穿呈盤形的一板體24，具有相對於該板體沿著軸線滑動的可能性。板體M配有密封墊圈241和M2，密封墊圈241和242與密封墊圈211和 212保證對於一腔室C22外部的流體隔離，腔室在板體M和活塞21之間，圍繞杆體23，徑向地布置在本體22內部。如圖4所示，每個葉片20在對應的軸線X22兩側延伸。實際上，每個葉片20在軸線知上定中心。板體M通過螺釘25固定在本體22上，螺釘在圖2上通過螺釘的軸線示出。通過未顯示的一導道對腔室C22供給來自導道5的水。這允許對腔室C22進行增壓，具有將活塞21在圖2的箭頭F2的方向上向後推，和使葉片20在垂直軸線\的方向上超出壁體84的作用。通過構件20到25形成的子組件按具有圍繞軸線轉動的可能性的方式在一襯套26中被安裝，襯套在一冠狀體27中保持不動，冠狀體相對於壁體84是固定的。形成支座的接頭如有需要圍繞本體22和板體M徑向地布置，並且允許前述的子組件相對於襯套 26轉動。在軸向地超出的部分中，沿著軸線)(22，相對於襯套沈，冠狀體M配有徑向外齒 M3，其嚙合一齒輪四，齒輪通過電伺服馬達30的輸出軸301被帶動。該馬達通過電子信號 &由單元10進行控制。
伺服馬達30從而允許根據單元10所接收的控制信號S3,圍繞軸線)(22在轉動方面帶動由構件20到25形成的子組件。這種轉動允許使得葉片20圍繞軸線的角位置發生變化。每個葉片20從而是可圍繞一軸線定向的。如圖4和圖6所示，葉片20呈平坦板體的形狀，且其角位置可由一角度α進行度量，所述角度α在軸線之上在一中平面P2tl——其位於葉片20的大側面201和202之間，和包含軸線X22的一垂直平面P22之間量取。對於每個活動葉片20，馬達30允許使葉片圍繞軸線\2的角位置與在導道8中的水流E的條件相適應。圖3在輪體2的環帶體的一展開視圖中示出在輪體2的一輪葉2Β的逸流緣2Α附近的速度分布。考慮到輪體2以角速度ω轉動，而逸流緣2Α的切向速度U等於coXR，其中R是在逸流緣2A與垂直軸線\之間的徑向距離或半徑。此外，如果考慮水流離開輪體2時的速度W，該速度W位於輪葉2B的延伸部分中。 該速度W分解為一垂直分量Wv—即平行於垂直軸線&、和一切向分量wT。在對於水流E的流量Q小的一構型中，如圖3所示，速度的垂直分量Wv相對小，並且，由於速度W相對於垂直線的傾角β通過輪葉2Β的幾何形狀確定，速度的切向分量Wt 的模數|WT|小於輪葉的切線速度的模數Iul。在這些條件中，從輪體2噴射到逸流緣2Α附近的水具有在與輪葉的切線速度U的相同方向上的一切線速度分量，即指向圖3上的右側。 水流在該圖示平面中通過箭頭E示出。在此情形下，從輪體離開的水在與輪體2相同的方向上圍繞垂直軸線轉動。這引起湍流炬在導道8中的形成，具有強烈的壓力波動，這可校正葉片20是否正確地定位。在水流E的流量Q大的情形下，速度W的垂直分量Wv的模數大，並且，由於角度β 通過輪葉2Β的幾何形狀確定，切向分量Vt的模數從而大於切線速度U的模數。在圖5所示的情形中，水流E向圖5的左側噴射，和在該圖示上可通過箭頭E示出。在此情形下，當水流從輪體2噴射時，水流E在與輪體的轉動方向相反的方向上轉動。從而產生湍流炬，具有較大的壓力波動，這可對葉片20進行校正。因此，根據流量Q的值，在吸水導道8中改變水流E圍繞垂直軸線\的轉動方向。 葉片20的角位置允許以如下的方式影響水流E的轉動i)在小流量Q的情形下，如果運行點是如僅僅尋求極大地減輕壓力的波動，而不關注效率的降低，那麼使得每個葉片20以一正角α在圖4的圖示中轉動，以最大程度地放慢水在吸水導道8中的轉動流動。ii)依舊在小流量Q的情形下，如果運行點總是具有壓力的波動，然而是以小於如上文所考慮的例i)的水平，那麼葉片20可以一負角α在圖4的圖示中被定向，以在設備的效率上具有較小的負面影響，同時略微減輕壓力的波動。iii)在大流量Q的情形下，水流在吸水導道中的轉動方向是顛倒的，對於上述的兩運行點的推理是顛倒的。為此，可調節通過葉片20與垂直線形成的角度α，以獲得期望的效果。如果將葉片在基本平行於水流的一方向上定向，對效率的影響較小。相反地，如果對於一運行點期望極大地減輕壓力的波動，可使葉片轉動以使得葉片對水流形成阻擋。壓力波動的減輕在效率上具有相對大的負面作用，不過這種負面作用僅對於所考慮的運行點存在，對於其它的運行點，可不加區別地對葉片20圍繞軸線&2的定向角度α進行再調整。因此調整每個葉片20的定向角度α，以獲得壓力波動/效率之間的最優折衷。當水流E的流量和輪體2的轉動速度是如切線速度的模數IWtI和Iu是相等的， 即當水流E在離開輪體2時基本是垂直的時，葉片20被布置以使得葉片的各自中平面P2tl 是垂直的，即角度α取零值。葉片20圍繞其轉動軸線的角位置的調節可通過經驗，通過歸納地驗證該位置對設備I的效率和壓力波動水平的影響來執行。有利地，單元10根據通過在管道5上安裝的一流量傳感器12發送的一信號、來自動地控制可定向的葉片20。該流量傳感器可是各種合適類型的傳感器，例如以差壓傳感器實施。通過初步近似，和通過考慮輪體2以基本恆定的速度轉動，這是對於配有同步交流發電機的機器的情形，可在單元10中，在水流E的流量Q的基礎上，計算切線速度Wt和U，和以此，確定水流E相對於輪體的轉動方向的出離方向，即在相同的方向上或相反的方向上。 單元10從而能夠確定應給予葉片20以圍繞其各自軸線的何種角度定向來穩定水流Ε。作為變型或作為補充，可在軸體3上安裝一速度計4，和向單元10提供表示軸體3 的轉速的一信號&，這允許精確地知曉切線速度U的值。該信號&可通過單元10集成，來確定要提供給每個葉片20的用於在吸水管8中穩定水流E的傾角α的值。每個襯套沈在一冠狀體27中擰緊，和當需要在子組件20-25之一上進行幹預來進行維護時，只需松旋冠狀體27的對應襯套26，來從導道8的上遊部分81進入該子組件的組成元件。葉片的支撐和定位元件被布置在一槽座90中，槽座布置在設備的混凝土結構中，徑向地位於壁體84外，如僅在圖2上所示的。作為變型，和如圖7所示，可圍繞導道8的部分81徑向地布置通到壁體84的外表面841的一槽道100，這允許藉助於該槽道對葉片20和其傳動機件實施維護操作。襯套沈的形狀和冠狀體27的形狀因而是匹配的。在圖7上，與第一實施方式相似的元件具有相同的標記，和葉片20與一活塞21相連在一起，一桿體23延長活塞，杆體在一板體M中是滑動的，板體通過螺釘25與一本體22 相連在一起。一襯套26圍繞由構件20到25形成的子組件，並且在一冠狀體27上藉助於槽道100擰緊。一伺服馬達30帶動一齒輪四與板體M的一外齒243嚙合，這允許控制葉片20圍繞垂直於壁體84的一軸線\2的角度定向，如對於第一實施方式所闡述的。在兩實施方式中，腔室C22的供給壓力允許沿著垂直軸線控制活塞21和葉片20 的位置。特別地，當水流在導道8中被穩定時，由於水在朝嚮導道8的活塞21的面23上的壓力，可不對腔室C22供給承壓水，以使得葉片20相對於壁體84在導道8外回縮或插入。作為變型，每個葉片沿著其轉動軸線的位置可通過除被供給水的壓力腔室外的其它部件進行控制。可例如為此使用一電伺服馬達或一液壓、機械或電力作動器。活塞21、伺服馬達或前述的作動器從而允許控制每個葉片20在壁體84中的嵌插， 同時考慮到水流E的一表示參數，如上文所述對於葉片的角度定向而言。上文所述的本發明在圖示上以葉片20的轉動軸線垂直於壁體84的情形示出。 這並不是強制性的和只需相對於壁體84固定的轉動軸線&2與該壁體相交。實際上，如果轉動軸線^不與壁體84垂直，轉動軸線與該壁體形成的銳角被選擇大於45°，優選地大於75°，甚至優選地大於85°。本發明在兩實施方式以具有與每個葉片20相關聯的一伺服馬達示出，這允許對葉片分別地進行控制。在葉片的運動之間的同步通過單元10和對用於不同馬達30的不同信號&的管理保證。作為變型，可使用使葉片20相連接的機械部件，這允許保證對葉片的分組控制。 可例如使用鏈條或一閥門系統環圈，正如其被公知用於例如對導向器61進行控制。可設計其它的裝置用於以單個的或分組的控制來保證葉片20的轉動。實際上，這種轉動可通過各種適合的致動器來保證，例如與一連杆相連的一轉動的或線性的作動器。 作動器可通過油、電流、壓縮空氣或水被致動。考慮到這些致動器的工作環境，使用水壓作動器的解決方案是優選的。本發明以在軸同輻流式類型的渦輪機的應用時示出。不過本發明適用於其它類型的渦輪機，如轉槳式渦輪機和螺旋槳式渦輪機以及渦輪-泵。本發明以所有葉片是可定向的——即在圍繞與排送導道的壁體相交，特別地相垂直的一軸線的轉動方面是活動的——的情形中示出。作為變型，僅僅某些葉片是可定向的。根據本發明的未顯示的一變型，當渦輪機的輪體配有旨在改善水流在輪體下遊的導向的一尖端時，例如文獻W0-A-2005/038243中已知的一尖端，可實施本發明。上文所述的本發明在水流E的流量被使用於確定葉片20的角度定向的情形中進行描述。不過，可為此取用其它的參數，所述其它的參數尤其是設備端界的降落高度H、通過設備給送的功率P、或輪體2的轉速ω。作為變型，葉片20可具有除平坦形狀之外的其它形狀。
權利要求
1.將液力能轉化為電能的轉化設備(I)，該轉化設備包括液力渦輪機(1)、將強制水流 (E)引向所述液力渦輪機的引水導道(5)、排送從所述液力渦輪機出離的水流的排送導道 (8)、和在所述排送導道中引導水流的導引葉片00)，其特徵在於，每個導引葉片OO)在圍繞與所述排送導道的壁體(84)相交的一軸線 (X22)的轉動方面是活動的；所述轉化設備包括控制所述導引葉片圍繞其轉動軸線的角位置(α )的控制部件(10，30)；每個在轉動方面活動的導引葉片OO)在所述排送導道(8)的壁體(84)中是可回縮的；並且所述轉化設備包括能夠調節所述導引葉片OO)在所述壁體中嵌插的部件01)。
2.根據權利要求1所述的轉化設備，其特徵在於，所述控制部件(10，30)能夠根據所述強制水流(E)的至少一表示參數(Q，ω，Η，Ρ)固定所述導引葉片OO)的角位置(α)。
3.根據前述權利要求中任一項所述的轉化設備，其特徵在於，所述或每個在轉動方面活動的導引葉片OO)藉由所述排送導道的內部相對於所述排送導道(8)的壁體(84)可拆卸下來。
4.根據權利要求1或2所述的轉化設備，其特徵在於，所述轉化設備包括槽道(100)， 所述槽道(100)通到所述排送導道(8)的壁體(84)的外表面(841)；並且，所述或每個導引葉片OO)藉由所述槽道相對於所述壁體可拆卸下來。
5.根據前述權利要求中任一項所述的轉化設備，其特徵在於，每個導引葉片OO)與活塞相連在一起，所述活塞平行於所述導引葉片的轉動軸線(X22),相對於在所述壁體上固定的一構件、2Τ)滑動地安裝；子組件(20-2 包括所述導引葉片和所述活塞，所述子組件(20-2 按具有圍繞所述導引葉片的轉動軸線轉動的可能性的方式被安裝；並且所述子組件包括配合部件043)，所述配合部件( 與驅動部件( ，30)進行配合，所述驅動部件( ，30)驅動所述子組件圍繞所述導引葉片的轉動軸線(X22)轉動。
6.根據前述權利要求中任一項所述的轉化設備，其特徵在於，每個活動的導引葉片 (20)在其轉動軸線(X22)兩側延伸。
7.將液力能轉化為電能或機械能的轉化設備(I)的控制方法，所述轉化設備包括液力渦輪機(1)、將強制水流(E)引向所述液力渦輪機的引水導道(5)、排送從所述液力渦輪機出離的水流的排送導道(8)、和在排送導道中引導所述水流的至少一導引葉片00)，其特徵在於，所述控制方法包括一步驟，該步驟在於控制(S3)在排送導道中的引導所述強制水流(E)的每個導引葉片OO)的圍繞與所述排送導道(8)的壁體(84)相交的一軸線(X22)的角位置(α)；以及一步驟，該步驟在於控制每個活動的導引葉片OO)在所述排送導道(8)的壁體(84)中嵌插的位置。
8.根據權利要求7所述的控制方法，其特徵在於，所述導引葉片OO)的角位置根據所述強制水流(E)的至少一表示參數(Q，ω，Η，Ρ)進行控制，所述至少一表示參數(Q，ω，H， P)尤其是強制水流(E)的流量(Q)。
9.根據權利要求7或8所述的控制方法，其特徵在於，所述轉化設備包括分布在所述排送管(8)的壁體(84)上的多個導引葉片(20)，並且對所述導引葉片的位置按分組的方式進行控制。
10.根據權利要求7或8所述的控制方法，其特徵在於，所述轉化設備包括分布在所述排送管(8)的壁體(84)上的多個導引葉片(20)，並且對每個導引葉片的位置單個地進行控制。
11.根據權利要求6到9中任一項所述的控制方法，其特徵在於，通過對一腔室(C22)供給或不供給來自所述引水導道( 的承壓水，來控制每個活動的導引葉片00)在所述排送導道的壁體(84)中嵌插的位置，所述腔室布置在屬於子組件00-25)的本體02)中，且由與所述導引葉片相連在一起的活塞界定。
全文摘要
本發明涉及一種設備，該設備包括液力渦輪機(1)、將強制水流引向渦輪機的引水導道(5)、排送從液力渦輪機出離的水流的排送導道(8)、以及在排送導道中引導水流的導引葉片(20)。每個導引葉片(20)在圍繞與排送導道的壁體(84)相交的一軸線(X22)的轉動方面是活動的。設置用於控制所述導引葉片(20)圍繞其轉動軸線(X22)的角位置的部件(30)。每個導引葉片(20)在排送導道(8)的壁體(84)中還是可回縮的，並且設置調節導引葉片在壁體中的嵌插深度的部件(21)。
文檔編號F03B11/00GK102325988SQ201080008153
公開日2012年1月18日 申請日期2010年2月17日 優先權日2009年2月18日
發明者D·巴贊, F·馬祖吉, J·L·P·馬蘭, J·布雷蒙 申請人:阿爾斯通水電設備法國公司