可動葉片水力機的製作方法
2023-05-29 08:02:11 3
專利名稱：可動葉片水力機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如同卡普蘭式水輪機那樣的可動葉片水力機、它的製造方法及可動葉片水力機的葉輪葉片。
圖12是作為一種可動葉片水力機的卡普蘭式水輪機的大致結構圖，從圖中未示出的上池流入筒道1內的水由導流片2整流後通過葉輪葉片3，藉助於安裝有該葉輪葉片3的葉輪轂4，使與該葉輪轂4相連接的迴轉主軸5迴轉，此後經過吸出管6排出到圖中未示出的下池。
葉輪由多個葉輪葉片3相對於葉輪轂4沿放射方向安裝而構成，使各葉輪葉片3以與迴轉主軸5的軸線L垂直相交的葉片軸M的軸線為中心地迴轉，以控制葉輪葉片3的傾斜角度。此外，在設置有上述葉輪的靜水流迴路中，具有設於葉輪的外周、與葉輪葉片3的前端部、即與頂部端面3a間的間隙儘可能狹小的排出環7。
此排出環7以與迴轉主軸5垂直相交的、包含葉片軸的軸線M的平面為界上下分割，由遊側排出環7a與下遊側排出環7b構成。此外，如前所述那樣，為使葉輪葉片3的頂部端面3a與排出環7間的間隙狹小，葉輪葉片3的頂部端面3a形成以前述迴轉主軸5的軸線L與葉片軸的軸線M的交點為中心的球面狀，與此相對應，下遊側排出環7b的內周面也形成以中心是與葉輪葉片3的頂部端面3a的球面中心為同一點的，即以軸線L與葉片軸的軸線M的交點為中心的僅半徑略大的球面狀。這樣，上遊側排出環7a的內表面做成在拆卸葉輪時、能夠使葉輪向上方提升的圓筒面。
但是，由於在這種卡普蘭式水輪機動作時，各葉輪葉片3從其全閉狀態加大傾斜角度時，在與軸線L垂直相交並包含軸線M的平面的下遊側，葉輪葉片3的頂部端面3a與作為靜止部的下遊側排出環7b間的間隔變成一定，而在上述平面的上遊側、頂部端面3a與上遊側排出環7a之間的間隔則越往葉片前端越寬，會有水流洩漏，因而使水輪機的效率降低。
圖13為圖12所示的卡普蘭式水輪機的葉輪葉片3及周邊有關部分放大圖。葉輪葉片3的頂部端面3a作成半徑為R的球面。上遊側排出環7a的內表面呈半徑為Rd的圓筒面，下遊側排出環7b的內表面呈半徑為Rd的球面。其中，半徑Rd比半徑R略大。相同符號表示與圖12中同一種零件。圖13(b)為在葉輪葉片3的傾斜角度變大的場合下，從圖13(a)的箭頭Z的方向，即從葉片軸的軸線方向所見到的葉輪葉片圖。此圖13(b)中的線L相當於圖13(a)的主軸5的軸線L。MM表示包含軸線M並與軸線L垂直的平面。其中，3a是頂部端面、表示從箭頭Z方向所見到的葉輪葉片3的頂部的端面形狀。與排出環7的間隔為一定的部分以斜的剖面線標註，線MM上遊側未標剖面線的理由是，因為上遊側的排出環7a為圓筒面、與葉輪葉片頂部的端面3a之間的間隔變寬。
此外，在頂部端面的最大直徑為D0時，上遊側排出環7a的圓筒面的直徑儘可能接近D0的結構，能減少水流洩漏以阻止效率的降低，但在葉輪拆卸或檢修時將葉輪向上提升時、會因葉輪葉片3外周的最大直徑與靜止壁的最小直徑的差值太小而造成提升作業困難。
因此，有將上遊側排出環7a的內表面製成向上直徑稍稍增大的倒圓錐形狀的結構，但在這種情況下容易將葉輪向上方提升，頂部端面與上遊側排出環7a的間隔變成更寬，增加了水流的洩漏，從而降低了水輪機的效率。再者，這種水流洩漏的增大會產生氣蝕作用，會使葉輪葉片表面發生腐蝕。
在圖13所示的卡普蘭式水輪機中，球面狀的下遊側排出環7b與吸出管6相連接的部分向流路側突出，形成喉部P。因此水流在上述喉部P的上遊由於斷面積頸縮而增速，但在通過喉部P後，由於斷面積變寬而減速。在具有這樣的喉部P時，由於流速在一度增速後又減速，因而與單純減速的情況相比會發生多餘的流動損失。
此外，也有在頂部端面中為了防止由水流洩漏引起的水輪機效率的下降，提出一種將上遊側排出環7a的內表面作成球面、將下遊側排出環7b的內表面作成圓筒面或作成角度為10度以下的圓錐面的螺旋槳葉式水輪機(特開昭61-61981號公報)。雖然在葉輪葉片的傾斜角度增大時，頂部端面與下遊的圓筒面或圓錐面之間的間隔變寬，但由葉輪葉片的壓力面、負壓面的壓力差值是葉片的下遊側比上遊側小，因而圖13所示的卡普蘭式水輪機水流洩漏更少、改善了效率降低，但未能改善間隔寬的問題。特別是在下遊側排出環為圓錐面的場合下，由於與葉輪葉片頂部端面的間隔比圓筒面時更大，因而產生比圖13所示的卡普蘭式水輪機更多的水流洩漏，有效率降低的可能性。
作為解決以上的圖13所示的圓筒形的上遊側排出環與球面下遊側排出環所引起的卡普蘭式水輪機所存在的問題的方法，提出了如圖14所示的卡普蘭式水輪機。即，將上遊側排出環7a、下遊側排出環7b的內表面均加工成球面。其半徑Rd比圖13的場合同樣的葉輪葉片3的頂部端面的半徑R略大。在圖14(b)中，是與前述圖13(b)相同、表示在葉輪葉片3的傾斜角變大時，從圖14(a)的箭頭Z方向所見到的葉輪葉片圖。其中，與排出環7成一定間隔部分以斜的剖面線表示，與圖13(b)不同，圖14(b)中的頂部端面3a全部用剖面線表示，表示葉輪葉片3的頂部端面3a與排出環的間隔為一定。即由於上遊側排出環7a、下遊側排出環7b內表面均為球面，因而頂部端面3a在全部區域中與葉輪葉片的頂部端面3a間的距離等於Rd-R。而且，即使葉輪葉片的傾斜角度變化，這種關係也不會變化。
但是，在圖14所示的卡普蘭式水輪機中，有以下的問題。即上遊側排出環7a與下遊側排出環7b的最小半徑，即將這些內表面投影在與迴轉主軸的軸線L垂直的平面時的半徑比排出環球面的半徑Rd小，此外由於不管葉輪葉片3的傾斜角度變成什麼角度，其頂部端面3a在與迴轉主軸的軸線L相垂直的平面上投影的半徑大於前述排出環的最小半徑，因而葉片3已安裝在葉輪轂4上的狀態下不能向上方(即發電機方向)及下面(即吸出管方向)移動。因此，通常作成這樣的結構，即為了將葉輪葉片3向上方抽出、在進行葉輪葉片3的拆卸之前，先將排出環7a拆卸的結構。因此，與圖13的卡普蘭式水輪機相比，圖14的卡普蘭式水輪機的上遊側排出環7a周邊的結構更複雜，其結果使製作成本提高，同時有葉輪葉片3的拆卸、安裝時間加長等問題。因此，這種卡普蘭式水輪機以往基本不生產。
本發明是為了解決上述問題而作出的，其目的是提供一種在葉輪的拆卸、檢修時能夠容易取出葉輪，同時能降低從葉輪外周部水流的洩漏，由此能夠抑制水力機效果的降低及氣蝕作用的發生的可動葉片水力機及其製造方法和這種水力機用葉輪葉片。
為了達到上述發明目的而作出的本發明可動葉片水力機的第1方案是，其具有把能以各葉片軸為中心迴轉的多個葉片沿放射方向設置的葉輪，其特徵為，上述葉輪葉片的頂部端面形成以葉輪的迴轉主軸的軸線和葉片軸的軸線的交點為中心的球面狀，同時在葉輪葉片全閉時、該葉輪葉片的頂部端面投影在與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上的最大半徑，比上述頂部端面的球面半徑小。
第2方案的特徵為，在第1方案中，在葉輪外周設置的排出環由其內表面形成圓筒面或圓錐面狀的部分、以及其內表面形成與上述圓筒面或圓錐面相連接、以與上述葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一的點作為中心、半徑比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑略大的球面狀部分構成；形成上述圓筒面或圓錐面狀部分的最小半徑Rdmin比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑小，並且比葉輪葉片全閉時、該葉輪葉片的頂部端面投影於與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上時的最大半徑還大。
第3方案的特徵為，在第2方案中，排出環中形成圓筒面或圓錐面狀部分與形成球面狀部分的連接部是相對於與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線的平面偏移的。
第4方案的特徵為，在第1或第2方案中，葉輪葉片全閉時的葉輪葉片的頂部端面位置是在相對於與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線平面的通水路的低壓側。
第5方案的特徵為，在第4方案中，在葉輪葉片全開時，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線的平面朝通水路的高壓側突出的。
第6方案的特徵為在第1或第2方案中，葉輪葉片全閉時的葉輪葉片的頂部端面位置是在與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線平面相對的通水路的高壓側。
第7方案的特徵為，在第6方案中，在葉輪葉片全開時，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線的平面朝通水路的低壓側突出的。
第8方案的特徵為，在第1方案中，葉輪葉片的葉片軸的軸線是在包含葉輪的迴轉主軸的軸線及葉片軸的軸線的平面中、相對於與上述葉輪的迴轉主軸垂直相交的直線而傾斜的。
第9方案的特徵為，在第6方案中，設置在葉輪外周的排出環的內表面形成球面狀，它是以葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一點作為中心，半徑比上述葉輪葉片的頂部端面的球面的半徑略大的，同時其球面與設置於葉輪低壓側的吸出管的內表面平滑地連接。
第10方案為一種可動葉片水力機的製造方法，其特徵為，使突起部分從葉輪葉片的葉片面或頂部端面沿葉片軸的軸線的延長線突出，由上述葉片軸及突起部的端部保持葉輪葉片而進行軸對稱面的加工，此後除去上述突起部，以加工上述權利要求1所述的葉輪葉片。
第11方案為，一種可動葉片水力機用葉輪葉片，其特徵為，它是能以各個葉片軸為中心地迴轉且相對於葉輪轂沿放射方向設置而構成葉輪的，其特徵為，葉輪葉片的頂部端面形成球面狀，其是以葉輪的迴轉主軸之軸線與葉片軸之軸線的交點為中心的，在葉輪葉片全閉時，該葉輪葉片的頂部端面投影於與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上時的最大半徑比上述頂部端面的球面的半徑小，各個葉輪葉片由葉片部和葉片軸構成，在葉片部的葉輪轂側端面上，以端面與上述葉片部的基準軸線垂直相交的方式突出設置有圓柱狀突起，該圓柱狀突起設置於葉片軸的前端，底面插入固定於與葉片軸的軸線傾斜相交的孔內。
由於本發明具有上述結構，因而在具有可動葉片的水力機中、進行拆卸和維修時，能將葉輪葉片及葉輪轂保持在組裝狀態下容易地取到外部，同時可以降低由各個葉輪葉片的頂部端面的洩漏，抑制由於洩漏造成的水力機的效率降低及氣蝕作用的產生。
圖1為本發明的可動葉片水力機的第1實施例示意圖，圖2為本發明的可動葉片水力機的第2實施例示意圖，圖3(a)為本發明的可動葉片水力機的第3實施例示意圖，圖3(b)為圖3(a)的Z方向視圖，圖4為本發明的可動葉片水力機的第4實施例示意圖，圖5是用來表示本發明效果的實驗結果曲線圖，圖6(a)為本發明的可動葉片水力機的第5實施例示意圖，圖6(b)為圖6(a)的Z方向視圖，圖7為本發明的可動葉片水力機的第6實施例示意圖，圖8為本發明的可動葉片水力機的第7實施例示意圖，圖9為本發明的可動葉片水力機的第8實施例示意圖，圖10(a)、(b)、(c)是表示本發明可動葉片水力機的葉輪葉片製造方法示意圖，圖11為本發明使用的葉輪葉片的局部剖視圖，圖12為以往的可動葉片水力機的簡略結構圖，圖13(a)為圖12的葉輪葉片周圍的放大圖，圖13(b)為圖13(a)的Z方向視圖。
圖14為以往的可動葉片水力機另一例子的示意圖。
下面，參照附圖對本發明的實施例進行說明，圖中與圖13相同部分以相同符號示出並省略對其詳細說明。
圖1為本發明的可動葉片水力機的第1實施例示意圖，葉輪是由相對葉輪轂4沿放射方向安裝多個葉輪葉片3而構成，各葉輪葉片3以與水力機的迴轉主軸的軸線L垂直相交的葉片軸的軸線M為中心而迴轉，由此控制葉輪葉片3的傾斜角度。
上述各葉輪葉片3的頂部端面3a形成以迴轉主軸的軸線L和葉片軸的軸線M的交點為中心、半徑為R的球面狀。而且，上遊側排出環7a的內周面形成半徑Rd比形成葉輪葉片3的頂部端面3a的球面半徑R略大的圓筒，下遊側排出環7b的內周面加工成半徑為Rd的球面。
至此，是與圖13所示的以往的可動葉片水力機相同的，但在本實施例中，葉輪葉片3在全閉位置時如虛線3c所示，葉片外周的頂部端面向上遊側排出環7a的方向偏移。即在葉輪葉片3全閉時，葉片部的軸線V相對於與迴轉主軸的軸線L垂直相交並含有葉片軸的軸線M的平面向高壓側傾斜。因此，在葉輪葉片3全閉，投影在垂直於葉輪的迴轉主軸的軸線L的平面上時的葉輪最大半徑Rc，通常比頂部端面的球面半徑R小。
而在圖13所示的可動葉片水力機中，由於葉輪葉片3的頂部端面3a大致在葉輪葉片3的葉片軸的軸線M的延長線上，葉輪葉片3的角度無論是什麼角度，葉輪葉片投影在與葉輪的迴轉主軸的軸線L相垂直的平面上時的最大半徑Rc，通常與頂部端面的半徑R相等。
與此相對，在該第1實施例中，投影在與迴轉主軸的軸線L相垂直的平面上的葉輪葉片的最大半徑Rc根據其角度而變化，在全閉位置為最小，成為Rc＜R。因此、在把葉輪葉片3與葉輪轂4朝圖中的上方抽出場合下，能夠在相對於半徑R稍微略大的半徑Rd的上遊側排出環7a內有餘量地通過，在拆卸組裝葉輪時可容易地在葉輪葉片3與葉輪轂4仍在組裝的狀態下進行向上抽出的作業。
而且，在葉輪葉片的角度變化時，由於葉輪葉片3的頂部端面3a在半徑為R的球面上移動，因而與球面狀的排出環，即與下遊側排出環7b間的間隙能與以往的可動葉片水力機同樣地保持一定，能夠將水流的洩漏保持在最小限。
此外，在上述說明中，是對葉輪葉片在全閉位置中頂部端面處於上遊側排出環一側的情況進行了說明，但也可以使頂部端面位於下遊側排出環一側。
圖2為本發明的可動葉片水力機的第2實施例示意圖，相對於圖1所示的可動葉片水力機，上遊側排出環7a與下遊側排出環7b的連接部相對於與葉輪的迴轉主軸垂直相交且包含葉片軸的軸線M的平面向高壓側偏移。因此，這種場合下的上遊側排出環7a的半徑Rdmin比下遊側排出環7b的球面半徑Rd小，結果，下遊側排出環7b的球面狀部超過上述含有葉片軸的軸線M的平面地延伸到高壓側。
即，在本實施例中，投影在與迴轉軸的軸線L垂直相交的平面上的葉輪最大半徑也是因葉片角度而變化，在全閉位置變為最小。因此，為了葉輪從其中順利通過、只要上遊側排出環7a的內徑Rdmin比上述全閉狀態下的葉輪最大半徑Rc大，其可以比下遊側排出環7b的球面半徑Rd小。
在本實施例中，構成Rd＞R＞Rdmin＞Rc的關係。
於是，在這種場合，拆卸、組裝葉輪時，能夠將葉輪葉片3與葉輪轂4仍處於組裝的狀態下、從相對全閉位置的葉輪最大半徑Rc稍微略大的Rdmin的上遊側排出環7a內向上方抽出。而且，由於內周為圓筒狀的上遊側排出環7a的內徑可以較小，因而能將由下遊側排出環7b構成的球面部範圍增大，能夠抑制由於頂部端面與排出環之間的間隙引起的水流洩漏而造成的效率降低及氣蝕作用的發生。
雖然在上述說明中，對在全閉位置的頂部端面處於上遊側排出環一側的情況進行了說明，但其位於下遊側時也可獲得同樣的效果。
即，圖3是葉輪葉片3在全閉位置的情況，是使其頂部端面相對於包含上述葉片軸的軸線M的平面位於低壓側的結構，其他與圖2所示水輪機相同。
於是，在這種情況下，由於上遊側排出環7a的內徑Rdmin比葉輪葉片3位於全閉位置的葉輪半徑Rc略大，因而在葉輪葉片3與葉輪轂4組裝的狀態下可以容易地向上方抽出。
而且，球面狀的下遊側排出環7b可以延長到葉輪葉片的葉片軸的上方，葉輪葉片的角度增加，直到其姿態成為圖3的3d(點劃線所示)，葉輪葉片3的頂部端面與排出環的間隙在整個頂部端面上，一直保持一定的Rd-R的狹窄間隙。
即，如圖3(b)所示，在葉輪葉片3的姿態成為前述的3d姿態時，葉輪葉片3從圖3的(a)的箭頭Z方向所見到的形狀如圖所示那樣。其中，也將與排出環7的間隔為一定的部分以斜的剖面線標註，如前所述，由於在姿態3d時葉輪葉片3與排出環7之間的間隔Rd-R是一定的，因而頂部端面3a全部打上剖面線。
如上所述，圖3的實施例與以往的結構相比，可以抑制由於水流的洩漏引起的效率降低和氣蝕作用的發生。
圖4為圖1的變形例示意圖，使葉輪葉片3全閉時的頂部端面3a處於與迴轉主軸的軸線L垂直相交並包含葉片軸的軸線M的平面下遊側。而且，葉輪葉片即使在全開狀態下葉輪葉片也如雙點劃線3d所示，此時葉輪葉片的頂部端面不高出上述平面高壓側。其他結構與圖1所示水輪機相同。
於是，在這種場合下，投影於與迴轉主軸垂直相交的平面上的葉輪最大半徑在葉輪葉片全閉位置為最小，通過使葉輪葉片成為全閉狀態，能夠在葉輪葉片3與葉輪轂4組裝狀態下容易地將其向圖中的上方(高壓側)抽出。而且，葉輪葉片3的頂部端面與排出環的間隙在葉輪葉片的角度從全閉至全開的全部範圍中保持Rd-R的狹窄間隙，限制了由於頂部端面與排出環之間的間隙引起的水流洩漏，能夠抑制因這種洩漏造成的效率降低及氣蝕作用的發生。
圖5為表示本發明效果的實驗結果曲線圖。實驗是製作與實物水輪機幾何相似的模型卡普蘭式水輪機並使用能正確測定模型特性的試驗裝置來進行的。
對2種葉輪葉片進行了實驗。一種葉輪葉片是與圖13所示以往的卡普蘭式水輪機相同的葉輪葉片，全閉時的葉輪葉片頂部端面大致在葉片軸的軸線延長線上。另一種葉輪葉片與本發明第4實施例的葉輪葉片相當，全閉時的葉輪葉片頂部端面在葉片軸的軸線下遊側。
圖中的點是表示對3種葉輪葉片的傾斜角度θ1、θ2、θ3、根據設計轉數、設計有效落差、在使圖13所說的導流片2的姿態發生變化情況下的特性。橫軸是把最高效率點的流量Q0取為1.0，將測定的流量Q處理成無量綱流量Q/Q0；豎軸是把以往葉輪葉片的最高效率η0取為1.0，將測定的效率η處理成無量綱效率η/η0。
在可動葉片卡普蘭式水輪機的情況下，以效率最高的葉輪葉片傾斜角度θ及與導流片的姿態組合而運行。圖中的虛線為實施時的效率變化。由本圖可知，在全部的流量中，本發明的葉輪葉片效率均高。其程度約相當於最高效率點0.2％。
圖6是本發明另一實施例的示意圖，各葉輪葉片3的外周，即頂部端面形成半徑為R的球面，葉輪葉片3在全閉狀態時，使其頂部端面位於與迴轉主軸的軸線L垂直相交並包含葉片軸的軸線M的平面高壓側。而且，上遊側排出環7a的內周加工成具有比葉輪的半徑R略大的半徑Rd的球面，下遊側排出環7b的內表面形成比投影在與迴轉主軸的軸線L垂直相交的平面上的全閉狀態的葉輪的半徑Rc大，比上述半徑Rd小的半徑Rdmin的圓筒狀。因此，上遊側排出環7a的球面與下遊側排出環7b的圓筒狀部在包含上述軸線M的平面還低的低壓側連接。
於是，在這種情況下由於葉輪葉片3全閉時的葉輪最大半徑Rc比下遊側排出環7b的半徑Rdmin小，因而在拆卸、組裝葉輪時，能在葉輪葉片3與葉輪轂4仍保持組裝狀態下容易地降到低壓側。而且，由於使形成球面狀的排出環位於包含葉片軸的軸線M的平面下方，即位於低壓側，葉輪葉片3的姿態直到處於圖6(a)的3d(點劃線)位置，葉輪葉片的頂部端面與排出環的間隙也能保持為Rd-R的狹窄間隙。
即，如圖6(b)所示，葉輪葉片3的姿態成為前述的3d姿態的情況下，葉輪葉片3從圖6(a)的箭頭Z方向所見到的形狀如圖所示那樣。其中，也將與排出環7的間隙為一定的部分以斜的剖面線標註，而如前所述，由於一直到姿態3d，葉輪葉片3與排出環7之間的間隔Rd-R均保持一定，所以頂部端面3a全部打上斜的剖面線。
因此，在頂部端面不從上遊側排出環7a的下端伸出的範圍內，限制了因頂部端面與排出環之間的間隙引起的洩漏，能夠抑制這種洩漏造成的效率降低及氣蝕作用的發生。
圖7為圖6變形例的視圖，上遊側排出環7a的球面半徑和與其連接的下遊側排出環7b的圓筒半徑都為Rd，比葉輪葉片3的頂部端面的球面R略大。另一方面，葉輪葉片3在其全閉位置如虛線3c所示，頂部端面3a位於含有葉片軸的軸線M的平面上方、即位於高壓側，並且即使在葉輪葉片全開的圖中的雙點劃線所示狀態下，頂部端面也不會位於包含上述軸線M的平面下方、即不會位於低壓側。
於是，在拆卸、安裝葉輪時，通過使葉輪葉片成為全閉狀態，就能將葉輪葉片3與葉輪轂4保持在組裝的狀態下、非常容易地卸到下方。而且，葉輪葉片3的頂部端面3a與上遊側排出環7a的間隙在葉片角度從全閉到全開的範圍中維持在Rd-R的狹窄間隙。因而，限制了由於頂部端面與排出環的間隙引起的水流洩漏，抑制了由此造成的效率降低及氣蝕作用的發生。
圖8為本發明的第7實施例的示意圖，各葉輪葉片3的葉片軸的軸線M相對於與迴轉主軸的軸線L垂直相交的平面傾斜角度θ，使葉輪葉片的頂部端面位於上方、即位於高壓側。而且，葉輪葉片的頂部端面形成半徑為R的球面狀。另一方面，上遊側排出環7a的內周形成半徑Rd的球面，與其下遊側連接的下遊側排出環7b的內周形成半徑為Rdmin的圓筒狀，該半徑Rdmin比投影於與迴轉主軸的軸線L垂直相交的平面上的、全閉狀態的葉輪的半徑Rc略大。
於是，在這種情況下葉輪葉片3全閉時的葉輪最大半徑也能比運轉時的最大半徑小，在拆卸、組裝葉輪時，通過使葉輪葉片成為全閉狀態，能夠將葉輪葉片3與葉輪轂保持在組裝的狀態下容易地卸到下方。此外，由於能將上遊側排出環7a的球面部與下遊側排出環7b的半徑為Rdmin的圓筒狀部連接，因而葉輪葉片3的姿態從全閉到圖8的雙點劃線位置，頂部端面與排出環之間的間隙保持為Rd-R的狹窄間隙不變。因此，在頂部端面不從球面狀的排出環的下端伸出的範圍內，能使水流的洩漏更少，抑制了由洩漏造成的效率降低及氣蝕作用的發生。而且，在本實施例的葉輪葉片中，由於葉片軸的軸線M相對於與迴轉主軸的軸線L垂直相交的平面成傾斜狀，因而不需要使葉片部的基準軸線相對葉片軸的軸線傾斜，上述軸線M能以通過頂部端面的狀態形成，在葉輪葉片加工時可將葉輪葉片保持在上述軸線M上，能夠容易地進行葉輪葉片的加工。
圖9為圖7所示實施例的變形例示意圖，上遊側排出環7a直接連接吸出管6的上部，上遊側排出環7a的球面與吸出管6的內表面圓滑地連接。其他結構與圖6所示水輪機相同。
於是，在這種情況下能得到與圖7所示水輪機相同的效果。而且在此實施例中，由於不象圖13所示的以往的可動葉片水力機那樣，在球面狀的排出環與吸出管上部的連接部中形成突出在流路內、使流路截面積變窄的喉部，從排出環到吸出管上部的截面積的變化單調地增加，因而流路內的流速變化是單調的，可以防止產生格外的流動損失。
圖10是圖1等各圖所示的在葉輪葉片全閉時，頂部端面3a相對於葉輪葉片軸3s的軸線M、向高壓側或低壓側偏移的葉輪葉片製造方法的說明圖，圖10(a)是葉輪葉片3的俯視圖、圖10(b)是圖10(a)中從箭頭Z方向所見到的視圖。此外，圖10(c)是圖10(a)中箭頭Y方向所見到的視圖。
由於以往的可動葉片水力機的葉輪葉片中，葉片軸3s的軸線M在葉輪葉片內在其全長上延伸，因而在加工以上述軸線M為對稱軸的軸線對稱面時，可通過在葉片軸3s的端面與頂部端面上設置迴轉中心而進行加工，但在本發明的圖1那樣的葉輪葉片中，由於葉片部的基準軸線與軸線M不在同一軸線上、軸線M不從頂部端面通過，因而難進行把葉片軸3s作為對稱軸的軸對稱面的加工。
因此，在本實施例中，在葉輪葉片3的頂部的葉片面或頂部端面上設置位於軸線M上的加工用突起12，將該加工用突起12與葉片軸3s的端部支持後進行軸對稱面的加工，在軸對稱面的加工結束後除去該加工用突起12。此外，可以將葉輪葉片的頂部端面上、為防止氣蝕作用的腐蝕所使用的嵌條延長到與頂部端面相對應處來替代上述加工用突起12。
於是，使用加工用突起12的端面與葉片軸3s的端面，通過葉輪葉片用的夾具的支撐，能夠容易地進行以葉片軸3s的軸線M為對稱軸的軸對稱面加工。此外，由於加工後除去此突起，因而在水力機完成時對性能等的影響基本沒有。
圖11為本發明第1實施例等使用的葉輪葉片的局部剖視圖，葉輪葉片3能夠分解成葉片部3f與作為葉輪葉片軸的葉片軸3s而分別加工。
即，在葉片部3f的基端面上，突出設置著圓柱狀突起13，其具有與葉片部的基準軸線N垂直相交的端面。另一方面，在葉片軸3s的前端面上形成凹部14，其有與葉片部的基準軸線N垂直相交的底面a，並與上述圓柱狀突起13對應，該葉片部的基準軸線N相對該軸線M成傾斜狀。於是，將上述圓柱狀突起13插入凹部14，通過螺栓15將兩者連接就構成一個葉輪葉片3。
由此，在此葉輪葉片3的加工中，能與葉片軸3s區分地以基準軸線N為基準地加工各葉片部3f，使其與在全閉時的葉輪葉片頂部端面與葉片軸的軸線M位置大致一致的以往葉輪葉片的加工方法完全相同，從而能容易地進行加工。但是，在葉輪葉片3的葉片軸部的加工中，需要進行相對該軸線M的傾斜面及孔的加工，但由於迴轉支撐部的尺寸比一張葉輪葉要小，因而其加工容易進行。
由於本發明具有上述結構，因而在具有可動葉片的水力機中、進行拆卸和維修時，能將葉輪葉片及葉輪轂保持在組裝狀態下容易地取到外部，同時可以降低由各個葉輪葉片的頂部端面的洩漏，抑制由於洩漏造成的水力機的效率降低及氣蝕作用的產生。
權利要求
1.一種可動葉片水力機，其具有把能以各葉片軸為中心迴轉的多個葉片沿放射方向設置的葉輪，其特徵為，上述葉輪葉片的頂部端面形成以葉輪的迴轉主軸的軸線和葉片軸的軸線的交點為中心的球面狀，同時在葉輪葉片全閉時、該葉輪葉片的頂部端面投影在與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上的最大半徑，比上述頂部端面的球面半徑小。
2.如權利要求1所述的可動葉片水力機，其特徵為，在葉輪外周設置的排出環由其內表面形成圓筒面或圓錐面狀的部分、以及其內表面形成與上述圓筒面或圓錐面相連接、以與上述葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一的點作為中心、半徑比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑略大的球面狀部分構成；形成上述圓筒面或圓錐面狀部分的最小半徑Rdmin比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑小，並且比葉輪葉片全閉時、該葉輪葉片的頂部端面投影於與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上時的最大半徑還大。
3.如權利要求2所述的可動葉片水力機，其特徵為，排出環中形成圓筒面或圓錐面狀部分與形成球面狀部分的連接部是相對於與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線的平面偏移的。
4.如權利要求1或2所述的可動葉片水力機，其特徵為，葉輪葉片全閉時的葉輪葉片的頂部端面位置是在相對於與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線平面的通水路的低壓側。
5.如權利要求4所述的可動葉片水力機，其特徵為，在葉輪葉片全開時，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線的平面朝通水路的高壓側突出的。
6.如權利要求1或2所述的可動葉片水力機，其特徵為，葉輪葉片全閉時的葉輪葉片的頂部端面位置是在與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線平面相對的通水路的高壓側。
7.如權利要求6所述的可動葉片水力機，其特徵為，在葉輪葉片全開時，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的迴轉主軸垂直相交並包含葉片軸的軸線的平面朝通水路的低壓側突出的。
8.如權利要求1所述的可動葉片水力機，其特徵為，葉輪葉片的葉片軸的軸線是在包含葉輪的迴轉主軸的軸線及葉片軸的軸線的平面中、相對於與上述葉輪的迴轉主軸垂直相交的直線而傾斜的。
9.如權利要求6所述的可動葉片水力機，其特徵為，設置在葉輪外周的排出環的內表面形成球面狀，它是以葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一點作為中心，半徑比上述葉輪葉片的頂部端面的球面的半徑略大的，同時其球面與設置於葉輪低壓側的吸出管的內表面平滑地連接。
10.一種可動葉片水力機的製造方法，其特徵為，使突起部分從葉輪葉片的葉片面或頂部端面沿葉片軸的軸線的延長線突出，由上述葉片軸及突起部的端部保持葉輪葉片而進行軸對稱面的加工，此後除去上述突起部，以加工上述權利要求1所述的葉輪葉片。
11.一種可動葉片水力機用葉輪葉片，它是能以各個葉片軸為中心地迴轉且相對於葉輪轂沿放射方向設置而構成葉輪的，其特徵為，葉輪葉片的頂部端面形成球面狀，其是以葉輪的迴轉主軸之軸線與葉片軸之軸線的交點為中心的，在葉輪葉片全閉時，該葉輪葉片的頂部端面投影於與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上時的最大半徑比上述頂部端面的球面的半徑小，各個葉輪葉片由葉片部和葉片軸構成，在葉片部的葉輪轂側端面上，以端面與上述葉片部的基準軸線垂直相交的方式突出設置有圓柱狀突起，該圓柱狀突起設置於葉片軸的前端，底面插入固定於與葉片軸的軸線傾斜相交的孔內。
全文摘要
一種可動葉片水力機,在葉輪的拆卸、維修時可以將葉輪葉片與葉輪轂在組裝的狀態下容易地取出,同時減少從葉輪葉片的頂部端面的水洩漏。在該可動葉片水力機中,葉輪葉片的頂部端面形成球面狀,其以葉輪的迴轉主軸的軸線和葉片軸的軸線的交點為中心,同時在葉輪葉片全閉時,葉輪葉片的頂部端面投影在與葉輪的迴轉主軸垂直相交的平面上的最大半徑,比上述頂部端面的球面半徑小。
文檔編號F03B3/06GK1267790SQ0010284
公開日2000年9月27日 申請日期2000年3月3日 優先權日1999年3月19日
發明者杉下懷夫, 大竹典男, 稻垣泰造 申請人:東芝株式會社