CN104066971B

CN104066971B - 水力机械

Info

Publication number: CN104066971B
Application number: CN201380006384.1A
Authority: CN
Inventors: 原田翔; 黑泽贞男; 川尻秀之; 西本笃人
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-10-17
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-10-04
Also published as: AU2013333059A1; AU2013333059B2; JP2014080929A; BR112014017931A2; NZ626577A; JP6050648B2; CN104066971A; BR112014017931A8; WO2014061479A1; US20140308119A1

Abstract

一种水力机械(1)，该水力机械包括：沿周向并排布置的叶片(10)；和布置在相应的固定导叶内部的可转动的导流叶片(20)。每个固定导叶的出口端点(11)与共同的基准圆接触。每个导流叶片包括压力侧翼面(21)和负压侧翼面(22)，并具有连接与翼面(21、22)两者都接触的内接圆(24)的中心的弧线。当每个导流叶片都采取最大开度时，最大内接圆24m的中心点(O)，相对于在出口端点与负压侧翼面(22)之间绘制的最短距离的直线与弧线(25)彼此相交的交点(32)，位于所述导流叶片的出口侧。

Description

水力机械

技术领域

本发明的一个实施例涉及一种水力机械(水力機械)。

背景技术

已知用于通过使用水动力发电的水力机械，例如混流式水轮机(フランシス形水車，混流式涡轮机，轴向辐流式涡轮机)。图10示出了混流式水轮机的一个结构示例。如图10所示，混流式水轮机包括壳体502、沿圆周方向并排布置在壳体502中的多个固定导叶510和多个导流叶片520，其中每一个导流叶片都布置在对应的固定导叶510内侧并且构造成绕旋转轴523转动。在固定导叶510和导流叶片520之间形成静止翼列流路531(参见图11)。穿过静止翼列流路531的水流使转轮503转动。涡轮机主轴504连接至转轮503。通过涡轮机主轴504驱动发电机(未显示)。

当混流式水轮机作为发电机运行时，流自壳体502的水穿过在固定导叶510和导流叶片520之间形成的内周侧的静止翼列流路531流动，并且该水流入可转动的转轮503，从而使转轮503转动。由于转轮503的转动，发电机(未显示)通过涡轮机主轴504被驱动旋转。从转轮503流出的水经由吸出管505被引导至排放管道(未显示)。

另一方面，在混流式水轮机构造成泵涡轮的情况下，当混流式水轮机作为泵运行时，水从吸出管505流经转轮503、流经位于固定导叶510和导流叶片520之间的静止翼列流路531。然后，水从壳体502流向外部。

下面，参考图11更详细地描述固定导叶510和导流叶片520。图11是示意性的剖视图，在垂直于图10的导流叶片520的旋转轴523的截面中示出了固定导叶510和导流叶片520。如图11所示，多个固定导叶510和多个导流叶片520分别沿周向并排布置。每个导流叶片520绕旋转轴523转动以调节导流叶片的开度，从而改变在导流叶片520与相邻的其它导流叶片520之间流动的水的流量。因此，调节流入设置在导流叶片520的出口侧的转轮503的水的流量，从而调节发电机的输出。导流叶片520的外轮廓由压力侧翼面521和负压侧翼面522限定。最大内接圆524m——与压力侧翼面521和负压侧翼面522两者都接触的内接圆中最大的一个——的中心点O1位于导流叶片520的入口侧。

[现有技术文献]

[专利文献]

[专利文献1]JP10-184523A

[专利文献2]JP3-267583A

[专利文献3]JP2003-90279A

[专利文献4]JP2007-113554A

发明内容

为了增大发电机的输出，有必要扩大导流叶片的开度以增加流入转轮503的水的流量。然而，在上述的水力机械中，由于最大内接圆524m的中心点O1位于导流叶片520的入口侧，当导流叶片开度变大时，固定导叶510和导流叶片520之间形成的静止翼列流路531在最大内接圆524m附近变得极窄。因此，流过静止翼列流路531的水的流速可以在最大内接圆524m附近局部增大，这带来例如流动的水与固定导叶510之间以及流动的水与导流叶片520之间存在例如大摩擦损失的问题，或者由静止翼列流路531中的流动分离或涡流造成水力损失。

本发明的目的是通过将导流叶片上的最大内接圆定位在最佳位置上来降低固定导叶与导流叶片之间形成的流路中的水力损失。

根据一个实施例，本发明提供了一种水力机械，包括：沿周向并排布置的多个固定导叶，其中每一个固定导叶都包括一出口端点；和

布置在相应的固定导叶内侧的多个导流叶片，其中每一个导流叶片都包括压力侧翼面和负压侧翼面，并且构造成绕旋转轴旋转；

其中：

每个固定导叶的出口端点与共同的基准圆接触；

每个导流叶片都具有连接与压力侧翼面和负压侧翼面两者都接触的内接圆的中心的弧线；和

当每个导流叶片采取最大开度时，在导流叶片的内接圆中具有最大直径的最大内接圆的中心点，相对于在固定导叶的出口端点与对应的导流叶片的负压侧翼面之间绘制的最短距离的直线与所述弧线彼此相交的交点，位于所述导流叶片的出口侧。

可替代地，根据另一实施例，提供了一种水力机械，包括：多个沿周向并排布置的固定导叶；和

多个布置在相应的固定导叶内侧的导流叶片，其中每一个导流叶片都包括压力侧翼面和负压侧翼面，并且构造成绕旋转轴旋转；

其中：

当从每个导流叶片的弧线的中点直到最大内接圆的中心点的距离表示为l、从弧线的中点直到弧线的出口侧的端点的距离表示为L时，满足0≤l≤0.6L的关系。

附图说明

图1是示意图，示出了根据一个实施例的水力机械的一个结构示例。

图2是示意性的放大视图，在垂直于图1所示的导流叶片的旋转轴的截面中示出了放大的固定导叶和导流叶片。

图3是对应于图2的视图，用于说明固定导叶与导流叶片之间的几何关系。

图4是示意性的放大视图，示出了作为比较性的示例的放大的固定导叶与导流叶片，其中导流叶片的旋转轴被省略。

图5(a)是对应于图2的视图，示出了放大的固定导叶和导流叶片，其中导流叶片的旋转轴被省略。

图5(b)是曲线图，示出了在导流叶片采取最大开度的条件下在流路的中心线上预定位置的流动的水的流速。

图6是曲线图，示出了导流叶片的开度与在固定导叶与导流叶片之间形成的流路中的压力损失之间的关系。

图7是曲线图，示出导流叶片的开度和涡轮机效率。

图8(a)是对应于图2的视图，示出了放大的导流叶片，其中导流叶片的旋转轴被省略。

图8(b)是曲线图，示出了在导流叶片采取最大开度的条件下导流叶片的最大内接圆的位置与导流叶片的出口侧的端点附近的压头损失的关系。

图9(a)是对应于图2的视图，示意性地示出了固定导叶与导流叶片之间的位置关系被修改的示例。

图9(b)是对应于图2的视图，示意性地示出了固定导叶与导流叶片之间的位置关系被修改的另一实例，其中导流叶片的旋转轴被省略。

图10是示意图，示出了水力机械的一个结构示例。

图11是示意剖面图，在垂直于图10所示的导流叶片的旋转轴的截面中示出了固定导叶和导流叶片。

具体实施方式

以下将参考附图描述一个实施例。图1是示出根据本实施例的水力机械的一个结构示例的示意图，图2是示意性放大图，在垂直于图1所示的导流叶片的旋转轴的剖面中示出了放大的固定导叶和导流叶片。

根据该实施例的水力机械1构造成例如混流式水轮机。如图1所示，水力机械1包括壳体2、沿周向并排布置在壳体2中的多个固定导叶10，以及多个导流叶片20，其中每一个导流叶片都布置在对应的固定导叶10内部，并构造成绕旋转轴23旋转。在固定导叶10和导流叶片20之间形成静止翼列流路31(在下文中描述为“流路31”)。被引导穿过流路31的水流使转轮3转动。涡轮机主轴4连接至转轮3。通过涡轮机主轴4驱动发电机(未显示)。

下面，描述构成水力机械1的各结构要素。首先，描述固定导叶10。如图2所示，多个固定导叶10沿周向并排布置在壳体2中，如上面所述。每个固定导叶10都固定在壳体2上。此外，各固定导叶10具有位于所述导流叶片20一侧的压力侧翼面13和位于压力侧翼面13的对向侧的负压侧翼面14。与共同的基准圆12接触的出口端点11设置在每个固定导叶10的出口部分上。在本说明书中，该出口端点11是指一个点，在该点固定导叶10的压力侧翼面13首先接触流路31的一侧的共同的基准圆12。固定导叶10设置用于整流和向转轮3引导流动的水。

下面，描述导流叶片20。如图2所示，多个导流叶片20沿周向并排布置在壳体2中相应的固定导叶10的内侧。每个导流叶片20设置成可绕旋转轴23转动。各导流叶片20的旋转轴23位于共同的节圆29上。各导流叶片20的旋转轴23位于其上的节圆29设置成与基准圆12同心。节圆29的直径比基准圆12的直径小。每个导流叶片20具有位于转轮3一侧的压力侧翼面21和位于固定导叶10一侧的负压侧翼面22。在本实施例中，一个导流叶片20位于一个固定导叶10内侧以与其相对应。各导流叶片20设置用于调节流入转轮3的水的流量。

根据水力机械1的这种结构，流自壳体2的水流经在内周侧的固定导叶10与导流叶片20之间形成的静止翼列流路31流入转轮3。该流动的水使转轮3转动。由于转轮3的转动，发电机(未显示)经涡轮主轴4被旋转驱动。从转轮3流出的水经由吸出管5被引导至排放管道(未显示)。

更详细地描述导流叶片20。每个导流叶片20绕旋转轴23旋转以调节导流叶片的开度，从而使在该导流叶片20与相邻的其它导流叶片20之间流动的水的流量发生变化。因此，调节了流入设置于导流叶片20的出口侧的转轮3内的水的流量，从而调节了发电机的输出。例如，通过增大导流叶片的开度以增加流入转轮3的水的流量，可以增大发电机的输出。最大的导流叶片开度被称为“最大开度”，它意味着流经在相邻的导流叶片20之间形成的流路的水的流量变成最大的名义最大开度。也就是说，导流叶片20的最大开度是指导流叶片20的在流经在该导流叶片20与相邻的另一导流叶片20之间形成的流路的水的流量变成在用于运行涡轮的导流叶片开度中最大的开度。最大开度是在设计中为每个对象水力机械1预先确定的。

下面，描述固定导叶10和导流叶片20之间的几何关系。如上所述，各导流叶片20的外轮廓由所述压力侧翼面21和负压侧翼面22限定。存在与压力侧翼面21和负压侧翼面22两者都接触的内接圆24。在这些内接圆24中，具有最大直径的内接圆24被称为“最大内接圆24m”。此外，连接与压力侧翼面21和负压侧翼面22两者都接触的内接圆24的中心的线称为“弧线(中弧线)25”。

如图2所示，在每个导流叶片20都采取最大开度的条件下，从固定导叶10的出口端点11到相应的导流叶片20的负压侧翼面22绘制直线39作为最短距离。直线39和弧线25的交点被表示为32。在此实施例中，导流叶片20的内接圆24中具有最大直径的最大内接圆24m的中心点O相对于直线39与弧线25的交点32位于该导流叶片20的出口侧。根据该实施例，当每个导流叶片20采取最大开度时，固定导叶10和导流叶片20之间形成的流路31将不会被最大内接圆24m变得极窄。因此，可以防止流经该流路31的水的流速被最大内接圆24m局部增加，从而使流动的水与固定导叶10和导流叶片20之间的摩擦损失可被降低，以及由静止翼列流路31中的流动分离或涡流造成的水力损失可以被有效地抑制。

图3是对应于图2的视图，该图是用于进一步解释固定导叶10和导流叶片20之间的几何关系的示意性放大视图。如图3所示，在垂直于旋转轴23的轴线方向的截面中，绘制了与在固定导叶10和导流叶片20之间形成的流路31的中心线33相交的给定的直线34。直线34与固定导叶10和导流叶片20相交的交点分别表示为35和36。在这种情况下，优选的是，两个交点35和36之间的距离从流路31的中心线33的最上游端37朝向最下游端38连续增加。

在此，流路31的中心线33的最上游端37被定义如下(参见图3)。首先，在垂直于旋转轴23的轴线方向的截面中，在垂直于流动通道31的中心线33的给定的直线34中选择穿过导流叶片20的最上游端点37a的直线。最上游端37是指所选择的直线与流路31的中心线33相交的交点37。另一方面，流路31的中心线33的最下游端38被定义如下(参见图3)。首先，在垂直于旋转轴23的轴线方向的截面中，在垂直于流路31的中心线33的给定的直线34中选择穿过固定导叶10的出口端点11的直线。最下游端38是指所选择的直线34与流路31的中心线33相交的交点38。根据本实施例，在每个导流叶片20采取最大开度的条件下，流过在固定导叶10与导流叶片20之间形成的流路31的水的流量从流路31的中心线33的最上游端37朝向其最下游端38连续增加。据此，流过流路31的水的流速从流路31的中心线33的最上游端37朝向其最下游端38连续降低。因此，不存在流速局部地增加或降低的可能性。其结果是，由静止翼列流路31中的流动分离或涡流所造成的水力损失(水动力损失)可以更有效被抑制。

作为比较性的示例，图4示出了水力机械中放大的固定导叶510和导流叶片520。在图4中，固定导叶510和导流叶片520对应于图10所示的水力机械的固定导叶510和导流叶片520。此外，在图4中，省略了导流叶片520的旋转轴523的图示。如图4所示，导流叶片520的最大内接圆524m的位置与图3所示的导流叶片20的最大内接圆24m的位置不同。图4所示的导流叶片520的其它结构和固定导叶510的结构与图3所示的导流叶片20的结构和固定导叶10的结构大致相同。如图4所示，在每一个导流叶片520都采取最大开度的条件下，从固定导叶510的出口端点511到对应的导流叶片520的负压侧翼面522绘制直线539作为最短距离。直线539与弧线525的交点表示为532。此时，与图2所示的导流叶片20的情况不同，导流叶片520的内接圆524中具有最大直径的最大内接圆524m的中心点O1相对于直线539与弧线525的交点532位于所述导流叶片520的入口侧。此外，如图4所示，在垂直于旋转轴523的轴线方向的截面中，绘制垂直于流路531的中心线533的给定的直线534。直线534与固定导叶510和导流叶片520相交的交点分别表示为535和536。在这种情况下，与图2所示的导流叶片20的情况不同，图4所示的两个交点535和536之间的距离不会从流路531的中心线533的最上游端537朝向其最下游端538连续增加。具体地，在垂直于流路531的中心线533的给定的直线534中选择穿过导流叶片20的最大内接圆524m的中心点O1的直线。所选择的直线与中心线533的交点表示为541。在这种情况下，两个交点535和536之间的距离从中心线533的最上游端537朝向交点541逐渐减小，然后从交点541朝向最下游端538逐渐增大。

接着，参见图5(a)和5(b)解释施用图2所示的导流叶片20时与施用图4所示的导流叶片520时流速之间的差异。图5(a)是对应于图2的视图，示出了放大的固定导叶10和导流叶片20，以及图5(b)是示出了在导流叶片20采取最大开度的条件下流体(流动的水)在流路31的中心线33上的预定位置的流速的曲线图。如图5(a)所示，从流路31、531的中心线33、533的最上游端37、537直到其最下游端38、538之间的距离被表示为X。从流路31、531的中心线33、533的最上游端37、537直到预定的点P的距离被表示为x。图5(b)示出的曲线图的横坐标轴示出了无因次距离x/X，曲线图的纵坐标轴示出了当导流叶片20采取最大开度时流体在点P的流速(m/s)。在图5(b)中，x₁代表当垂直于中心线533穿过中心线33、533上的预定的点P的直线534穿过图4所示的导流叶片520的最大内接圆524m的中心点O1时x的值。可以从图5(b)所示的曲线图理解的是，与施用图4所示的导流叶片520的情况相比，在施用图2所示的导流叶片20的情况下流动的流速增加会更受抑制。因此，流路中相应于流速而增加的摩擦损失可以类似地被抑制。特别地，在x＝x₁的位置附近，图2所示的导流叶片20与图4所示的导流叶片520的流速之间的差异变得明显。这是因为，当施用图4所示的导流叶片520时，如上所述，由于在固定导叶510和导流叶片520之间形成的流路531在最大内接圆524m附近变得极窄，在流路531中最大内接圆524m附近的流速局部增加。由此，当施用图4所示的导流叶片520时，流动的水与固定导叶510和导流叶片520之间可能发生较大的摩擦损失，以及可能发生由静止翼列流路531中的流动分离或涡流造成较大的水力损失。

下面，参考图6和7描述施用图2所示的导流叶片20时与施用图4所示的导流叶片520时之间压力损失的差异。在图6中，横坐标轴示出导流叶片的开度a(mm)，纵坐标轴示出在固定导叶10、510和导流叶片20、520之间形成的流路31、531中的压力损失ΔHsg/H。在图7中，横坐标轴示出导流叶片开度a(mm)，纵坐标轴示出涡轮机效率η_T(％)。可以从图6中理解的是，与施用图4所示的导流叶片520的情况相比，当放大导流叶片的开度a以输出更大动力时，静止翼列流路31中的损失ΔHsg/H可在施用图2所示的导流叶片20的情况下更受抑制。因此，如图7所示，与施用图4所示的导流叶片520的情况相比，当放大导流叶片的开度a以输出更大动力时，操作范围内的垂直区间中的涡轮机效率η_T比施用图2所示的导流叶片20的情况下更高。

下面，参考图8(a)和8(b)说明该实施例中的导流叶片20的最大内接圆24m的位置。图8(a)是对应于图2的视图，示出了放大的导流叶片20，图8(b)示出了在导流叶片20采取最大开度的条件下导流叶片20的最大内接圆24m的位置与导流叶片20的出口侧的端点27附近的压头损失之间的关系的曲线图。如图8(a)所示，从导流叶片20的弧线25的中点26直到最大内接圆24m的中心点O的距离被表示为l。从弧线25的中点26直到弧线25的出口侧的端点27的距离被表示为L。弧线25的中点26是指弧线25的全部长度的中点。在图8(b)的曲线图中，横坐标轴示出距离l和纵坐标轴示出导流叶片20的出口侧的端点27附近的压头损失。如图8(b)中所示，当l>0.6L时，从导流叶片20的最大内接圆24m附近的最大厚度位置朝向出口侧的端点27的曲率变得更大。因此，在导流叶片20的出口侧的端点27的下游产生大的回流，其增加了导流叶片20的出口侧的压头损失。也就是说，在该实施例中的导流叶片20优选地具有满足0≤l≤0.6L的关系的结构。

如上所述，根据该实施例，在每个导流叶片20都采取最大开度的条件下，固定导叶10和导流叶片20之间形成的流路31将不会由最大内接圆24m变得极窄。因此，能够防止流经流路31的水的流速被最大内接圆24m局部增加，由此，流动的水与固定导叶10之间和流动的水与导流叶片20之间的摩擦损失可被减小，以及静止翼列流路31中的流动分离或涡流所造成的水力损失可以被有效地抑制。

在上述实施例中，固定导叶10与导流叶片20之间的位置关系可以选择性地修改，这取决于发电机的容量和/或使用条件。

图9(a)和9(b)示出了固定导叶10与导流叶片20之间的关系被修改的示例。在图9(a)所示的示例中，导流叶片20的旋转轴23沿节圆29周向地移动(在图示的示例中顺时针方向)以接近所述固定导叶10。在图9(b)所示的示例中，固定导叶10的出口端点11沿着基准圆12周向移动(在图示的示例中逆时针方向)来接近导流叶片20。与图2所示的情况相比较，在图9(a)所示的导流叶片20和图9(b)所示的导流叶片20两者中，直线39与弧线25的交点32位于导流叶片20的入口侧。此外，如图9(a)和9(b)所示，导流叶片20的最大内接圆24m的中心点O相对于交点32位于更靠近导流叶片20的出口侧。此外，根据图9(a)和9(b)所示的修改示例，由于导流叶片20的内接圆24中具有最大直径的最大内接圆24m的中心点O相对于直线39和弧线25的交点32位于导流叶片20的出口侧，与上述实施例可以获得的作用效果相同。

在上述实施例中，如图3所示，在垂直于旋转轴23的轴线方向的截面中，垂直于流路31的中心线33的给定的直线34与固定导叶10和导流叶片20相交的交点被表示为35和36，交点35和36之间的距离从流路31的中心线33的最上游端37朝向最下游端38连续增大，其通过示例示出。然而，本发明并不限于这样的示例。作为另一示例，在垂直于旋转轴23的轴线方向的截面中，垂直于流路31的中心线33的给定的直线34与固定导叶10和导流叶片20相交的交点被表示为35和36，交点35和36之间的距离从流路31的中心线33的最上游端37朝向最下游端38连续减小。根据该实施例，当每个导流叶片20都采取最大开度时，能够抑制摩擦损失和流动分离或涡流造成的水力损失的增加，而不发生流速的任何局部增加。

所述实施例仅作为示例，并且本发明的范围并不局限于此。

附图标记列表

1水力机械

2壳体

3转轮

4涡轮机主轴

5吸出管

10固定导叶

11出口端点

12基准圆

13压力侧翼面

14负压侧翼面

20导流叶片

21压力侧翼面

22负压侧翼面

23旋转轴

24内接圆

24m最大内接圆

25弧线

26中点

27端点

19节圆

31流路

32交点

33中心线

34直线

35交点

36交点

37最上游端

38最下游端

502壳体

503转轮

504涡轮轴

505吸出管

506基准圆

510固定导叶

511出口端点

520导流叶片

521压力侧翼面

522负压侧翼面

523旋转轴

524内接圆

524m最大内接圆

525弧线

531流路

532交点

533中心线

541交点

Claims

1.一种水力机械，包括：

沿周向并排布置的多个固定导叶，其中每一个固定导叶都包括一出口端点；和

布置在相应的固定导叶内部的多个导流叶片，其中每一个导流叶片都包括压力侧翼面和负压侧翼面，并且构造成绕旋转轴旋转；

其特征在于：

每个固定导叶的出口端点与共同的基准圆接触；

2.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于：

在导流叶片和固定导叶之间形成流路；和

当从垂直于旋转轴的轴向方向的截面观察流路时，两个交点之间的距离从流路的中心线的最上游端朝向其最下游端连续增加，其中所述两个交点限定为垂直于流路的中心线的给定的直线与相应的导流叶片和固定导叶相交的交点。

3.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于：

在导流叶片和固定导叶之间形成流路；和

当从垂直于旋转轴的轴向方向的截面观察流路时，两个交点之间的距离从流路的中心线的最上游端朝向其最下游端连续减小，其中所述两个交点限定为垂直于流路的中心线的给定的直线与相应的导流叶片和固定导叶相交的交点。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的水力机械，其特征在于：

当从每个导流叶片的弧线的中点直到最大内接圆的中心点的距离表示为l，从弧线的中点直到弧线的出口侧的端点的距离表示为L时，满足0≤l≤0.6L的关系。