CN113474549A - 用以避免气蚀侵蚀的水力涡轮转轮叶片局部延伸部 - Google Patents

用以避免气蚀侵蚀的水力涡轮转轮叶片局部延伸部 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种水力涡轮，其包括转轮冠部或毂(1)和叶片(3)，其可能地包括带(2)，叶片(3)固定于所述冠部或毂，或者在所述带与所述冠部之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括：‑前缘(8)和后缘(10)、‑至少一个局部延伸部(20)，其具有固定于叶片(2)的后缘的第一接触表面、固定于所述带(6)或所述冠部(4)的第二接触表面，以及在脊线(22)处连结的两个横向侧(241,242)。

Description

用以避免气蚀侵蚀的水力涡轮转轮叶片局部延伸部
技术领域
本发明涉及水电工业领域。
背景技术
图1示出已知的涡轮转轮(runner)，其包括布置在冠部(crown)4与带(band)6之间的转轮叶片2。这些叶片中的每个在前缘8与后缘10之间延伸，水从前缘8和后缘10流动到引流管(在图1中未示出)中。本申请不仅应用于此类涡轮(弗朗西斯涡轮等)和拥有冠部和带的涡轮泵转轮，而且也应用于仅具有冠部或毂的那些涡轮(螺旋桨式，或卡普兰式，或斜流式等)。
在叶片-带(或叶片-冠部)圆角(fillet)中经常观察到弗朗西斯转轮侵蚀。
图2A-2E示出叶片-带(图2A-2D)或叶片-冠部(图2E)组件的实例，每个图示出叶片2a-2e的一部分，其中带6a-6d(图2A-2D)或冠部4e((图2E)的一部分包括在叶片的底部处或者在叶片与带或冠部之间的区中的侵蚀区12a-12e。
这些侵蚀区中的每个定位在应力峰值的临界区域中。在不增加残余应力和冒转轮裂纹风险的情况下，在现场修复它们为困难的。
因此，存在寻找修复此类区的方法和/或装置的问题。
发明内容
本发明首先涉及一种用于固定于叶片的后缘以及水力涡轮的带或冠部或毂的局部叶片延伸部，其包括：
- 第一接触表面，其用于与所述叶片的至少后缘接触，以及第二接触表面，其用于与至少所述带或冠或毂接触；
- 两个横向侧，它们在尖锐的脊线处连结。
本发明还涉及一种水力涡轮，该水力涡轮包括转轮冠部或毂和叶片，该水力涡轮可能地包括带，该叶片固定于所述冠部或毂，或者在所述带与所述冠部或毂之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括：
- 前缘和后缘，
- 至少一个局部延伸部，其具有固定于叶片的后缘的第一接触表面、固定于所述带或所述冠部的第二接触表面，以及在尖锐的脊线处连结的两个横向侧。
- 尖锐的脊线避免或减少气蚀侵蚀中涉及的冯卡门漩涡。
根据本发明的局部叶片延伸部可：
- 可至少部分地包括环氧树脂材料，或者复合或塑料材料，或者玻璃纤维或碳纤维，或者与环氧树脂材料混合的碳纤维；
- 以及/或者可包括壳和内部部分，所述壳包括例如分层的复合材料。
本发明还涉及一种水力涡轮，该水力涡轮包括转轮冠部或毂以及叶片，该水力涡轮可能地包括带，该叶片固定于所述冠部或所述毂，或者在所述带与所述冠部之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括：
- 前缘和后缘，
- 根据本发明的至少一个局部延伸部，其固定于叶片的后缘以及带或冠部或毂。
所述至少一个局部延伸部的横向侧优选地具有当涡轮在水中操作时遵循沿着所述叶片的流线的形状。
所述涡轮为例如弗朗西斯或卡普兰或斜流型的，或者为泵涡轮。
本发明还涉及一种用于提高水力涡轮的性能的方法，该水力涡轮包括转轮冠部或毂以及叶片，该水力涡轮可能地包括带，该叶片固定于所述冠部或毂，或者在所述带与所述冠部之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括前缘和后缘，所述方法包括将根据本发明的至少一个局部延伸部固定于叶片的后缘以及所述转轮的带或冠部或毂。
本发明还涉及一种用于提高水力涡轮的性能的方法，该水力涡轮包括转轮冠部或毂以及叶片，该水力涡轮可能地包括带，该叶片固定于所述冠部或毂，或者在所述带或冠部之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括前缘和后缘，所述方法包括将至少一个局部延伸部经由第一接触表面固定于叶片的后缘，并且经由第二接触表面固定于所述冠部或毂，或者固定于所述带，所述局部延伸部具有在脊线处连结的两个横向侧。
根据本发明的方法可包括将两个局部延伸部固定于每个叶片的后缘，一个局部延伸部固定于带，而另一个固定于所述转轮的冠部或毂。
在根据本发明的方法中，所述涡轮为例如弗朗西斯或卡普兰或斜流型的，或者为泵涡轮。
附图说明
- 图1示出已知的水电涡轮转轮，
- 图2A-2E为叶片以及每个叶片和/或冠部或带的侵蚀区的不同视图；
- 图3示出根据本发明的叶片局部延伸部的实施例；
- 图4A-4B为根据本发明的局部延伸叶片的实施例的不同视图；
- 图5A-5B为根据本发明的局部延伸叶片的另一实施例的不同视图；
- 图6示出图5A和图5B的叶片的透视图；
- 图7A-7B为根据本发明的局部延伸叶片的另一实施例的不同视图；
- 图8和图9为根据本发明的不对称局部延伸部的实例的视图；
- 图10为冯卡门漩涡的流体数值模拟的实例。
具体实施方式
将结合图3和图4A,4B阐释根据本发明的叶片局部延伸部20的第一实例。
该局部延伸部具有与叶片的第一接触表面，其由与叶片2的靠近其后缘10的第一接触线181界定，以及与转轮带6(并且可能与带圆角(该图未示出))的第二接触表面，其由第二接触线182界定。两条线一起形成局部延伸部的轮廓或外形。
代替厚度e(见图3)为几毫米的方形后缘，局部延伸部具有尖锐的后缘或后缘线22，以便避免或减少气蚀侵蚀中涉及的冯卡门漩涡；图2A-2E给出该侵蚀的实例。根据本发明的局部延伸部的轮廓以该尖锐的后缘或线22结束，该尖锐的后缘或线22具有等于0或包括在0和2mm之间的厚度。
局部延伸部具有在脊线22处连结的两个横向侧241,242。这两个横向侧241,242具有遵循流线28,29的形状。所述横向侧241,242中的每个在第一接触线181的一部分、所述第二接触线182的一部分，以及所述后缘22之间延伸。可测试或测量和/或计算局部延伸部(具体而言，所述横向侧和所述脊线)的形状，以便避免或减少冯卡门漩涡。
冯卡门漩涡由沿着具有后缘的轮廓流动的流体来生成。当流体离开所述后缘时，其变成尾流，该尾流将自身组织成一系列漩涡。这些漩涡沿着剖面轴线对称地组织。图10为由围绕一块材料120的后缘100的流体流生成的冯卡门漩涡121,122,123等的流体数值模拟的实例。
在关于水力涡轮的本申请中，发明人已证明，冯卡门漩涡的幅度与叶片的后缘10的厚度相关，并且如果后缘的厚度被减小，则这些漩涡被减小。最终，如果所述厚度平滑地减小至0，足够平滑以避免流分离，则没有漩涡出现。
为了测试根据本发明的局部叶片延伸部，可实施实验装置并且可执行计算机模拟(计算流体动力学，CFD)，如例如在P.Ausoni等人的“Karman vortex shedding in thewake of a 2D hydrofoil: measurement and numerical simulation”(2006年6月28日至30日在巴塞罗纳召开的关于液压机械和***中的气穴和动态问题(英文：Cavitation andDynamic Problems in Hydraulic Machinery and Systems)的IAHR Int.工作组会议)中公开的；具体而言，流动引起的振动可借助于加速度计和激光振动计来测量。由于根据本发明的局部延伸部，因此可能的是，确保冯卡门现象减少或消失。根据本发明的局部延伸部的形状可根据以上提及的测试和模拟来调整，以便达到期望的冯卡门现象减少程度。
在图3和图4A,4B的实例中，而且在根据本发明的局部延伸部的下列其它实例中，在叶片2的水力分布与局部延伸部的水力分布之间存在连续性：不存在沿着叶片流动并接着沿着局部延伸部流动的流28,29的扰动。如可从图3和图4B理解的，水流28和29可沿着叶片2的横向侧2a,2b流动，并且接着沿着根据本发明的局部延伸部20的横向侧流动，而没有任何扰动。
从其顶部22s1(抵靠叶片2)至其底部22s2(抵靠带6)的脊线22为弯曲的。在一些实施例中，其具有从其顶部22s1开始的凹形形状，并且接着具有在底部22s2处终止的凸形形状。作为备选，在该实施例中或在其它实施例中，其可具有从其顶部22s1开始的凸形形状，并且接着具有在底部22s2处终止的凹形形状。作为其它可能性，其可具有从其顶部22s1至其底部22s2的凹形形状。
图4A为沿着平面P(见图3)的局部延伸部的横截面视图，平面P(见图3)粗略垂直于带6的表面并且平行于由轴线Y,Z限定的平面；图4B为沿着平面P'(见图3)的局部延伸部的横截面视图，平面P'(见图3)粗略垂直于叶片的表面，垂直于平面P并且平行于由轴线X,Z限定的平面。在这些图中，标号22a以及22b为脊22与对应的剖切平面P以及P'的交叉点。
图5A为也沿着平面P(见图6)的另一局部延伸部的横截面视图，平面P(见图6)粗略垂直于带6的表面并且平行于由轴线Y,Z限定的平面，图5B为沿着平面P'(见图6)的局部延伸部的横截面视图，平面P'(见图6)粗略垂直于叶片2的表面，垂直于平面P并且平行于由轴线X,Z限定的平面。在这些图中，22a,22b为脊与对应的剖切平面P,P'的交叉点。
在图4A-5B中的每个上局部延伸部20：
- 具有在脊线22处连结的两个横向侧241,242；它们具有遵循流线28,29的形状；
- 具有与叶片2的第一接触表面，其由与叶片的靠近其后缘10的第一接触线181界定，以及与转轮带的第二接触表面，其由第二接触线182界定。两条线一起形成局部延伸部的轮廓或外形。
图6为局部延伸部20在其抵靠叶片2并抵靠叶片-带(或叶片-冠部)圆角7和带6(或冠部)固定之后的透视图(其具有沿着图5A和图5B上示出的平面P和P'的横截面视图)。
图7A和图7B为图4A和图4B的实施例的变型；与图4A和图4B中的那些相同的这些图7A和图7B上的参考标号表示相同或相似的技术元件：根据本发明的局部延伸部20可包括外壳26或者可由外壳26覆盖，例如在分层的复合材料中，并且包括内部部分27，内部部分27例如在树脂(例如，环氧树脂)中，并且可通过胶合固定于叶片和带。此类外壳也可应用于根据其它实施例(如在图5A和图5B上或在图6、图8以及图9上示出的)的局部延伸部。
图3-7B上示出的局部延伸部具有相对于平面S对称的形状，平面S垂直于平面P和平面P'两者(见图3)。
作为备选，根据本发明的局部延伸部20也可具有不对称形状，如图8上示出的(其为沿着具有与在图3上那样相同的取向的剖切平面P的横截面视图)。
根据本发明的不对称局部延伸部20的另一实例在图9中示出，该延伸部定位在叶片2上，叶片2具有轮廓21并且其自身相对于平面S1为不对称的。
根据本发明的局部延伸部相对于叶片以及叶片-带(或叶片-冠部)圆角和/或带(或冠部)两者来固定。局部延伸部的变形相对于叶片或转轮带为可能的，优选地，在没有将显著的负载施加于带和/或叶片的情况下。
对于直径为6m的转轮而言，局部延伸部20具有例如下列尺寸：
- 宽度w(沿着轴线z测量，见图4A和图5A)，其在10mm(离装置的带/冠部的最远平面)和20cm之间；
- 深度d(沿着轴线x测量，见图4B和图5B)，其在10cm和20cm之间；
- 高度h(沿着轴线y测量，见图4A和图5A)，其在10cm和15cm之间。
对于具有较大或较小或较大直径的转轮而言，这些范围能够以类似的方式调整。
根据本发明的局部延伸部20能够以树脂(例如，环氧树脂)制成，或者以复合或塑料材料制成；其它可能的材料为与环氧树脂混合的玻璃纤维或碳纤维。所有这些材料允许该局部延伸部相对于带和叶片两者的变形；它们还避免带或冠部和叶片上的局部延伸部的任何焊接。在图3-5B中，局部延伸部表示为连结于叶片和带；然而，优选地，其首先被制作并且接着例如通过胶合固定于叶片2和带6。尽管没有视图仅表示没有叶片和带的局部延伸部，但本申请应当理解为在其与叶片和带组装之前覆盖局部延伸部。
根据本发明的局部延伸部可预成形为具有在将其抵靠叶片和转轮带装固之后通常获得的所有属性。
该局部延伸部可基于3D打印技术或增材技术来制作。该局部延伸部可接着与叶片以及带和/或带圆角组装。
以上描述可应用于与冠部接触的叶片局部延伸部20。
如以上描述的一个或多个局部延伸部20(多个)可例如通过胶合固定于叶片和(例如以上结合图1公开的类型的)现有涡轮转轮的冠部(或毂)或带。这通过减少或消除冯卡门漩涡和以上结合图2A-2E描述的造成的侵蚀来改进所述涡轮转轮的性能。

Claims (16)

1.一种水力涡轮，所述水力涡轮包括转轮冠部或毂(1)和叶片(3)，所述水力涡轮可能地包括带(2)，所述叶片(3)固定于所述冠部或毂，或者在所述带与所述冠部或毂之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括：
- 前缘(8)和后缘(10)，
- 至少一个局部延伸部(20)，其具有固定于所述叶片(2)的所述后缘的第一接触表面、固定于所述带(6)或所述冠部(4)的第二接触表面，以及在尖锐的脊线(22)处连结的两个横向侧(241,242)
所述局部延伸部能够相对于所述叶片或所述带或所述冠部变形。
2.根据权利要求1所述的水力涡轮，其特征在于，每个叶片包括两个局部延伸部(20)，它们各自固定于所述叶片的所述后缘，一个局部延伸部固定于所述带，而另一个固定于所述转轮的所述冠部或所述毂。
3.根据权利要求1或2所述的水力涡轮，其特征在于，所述至少一个局部延伸部(20)的所述横向侧(241,242)具有当所述水力涡轮在水中操作时遵循沿着所述叶片的流线(28,29)的形状。
4.根据权利要求1、2或3所述的水力涡轮，其特征在于，至少一个局部延伸部使用3D打印技术或增材技术来制作。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的水力涡轮，其特征在于，至少一个局部叶片延伸部(20)至少部分地包括环氧树脂材料，或复合或塑料材料，或玻璃纤维或碳纤维，或与环氧树脂材料混合的碳纤维。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的水力涡轮，其特征在于，至少一个局部延伸部包括壳(26)和内部部分(28)。
7.根据权利要求6所述的水力涡轮，其特征在于，所述壳(26)包括分层的复合材料，并且所述内部部分(28)包括树脂材料。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的水力涡轮，其特征在于，所述涡轮为弗朗西斯或卡普兰或斜流型的，或为泵涡轮。
9.一种用于提高水力涡轮的性能的方法，所述水力涡轮包括转轮冠部或毂(1)和叶片(3)，所述水力涡轮可能地包括带(2)，所述叶片(3)固定于所述冠部或毂，或在所述带或冠部之间，并且促动成围绕旋转轴线旋转，每个叶片包括前缘(8)和后缘(10)，所述方法包括将至少一个局部延伸部(20)经由第一接触表面固定于所述叶片(2)的所述后缘，并且经由第二接触表面固定于所述冠部(4)或毂(1)或者固定于所述带，所述局部延伸部(20)具有在脊线(22)处连结的两个横向侧(241,242)，所述局部延伸部能够相对于所述叶片或所述带或所述冠部或毂变形。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括将两个局部延伸部(20)固定于每个叶片的所述后缘，一个局部延伸部固定于所述带，而另一个固定于所述转轮的所述冠部或所述毂。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述至少一个局部延伸部(20)的所述横向侧(241,242)具有当所述水力涡轮在水中操作时遵循沿着所述叶片的所述流线(28,29)的形状。
12.根据权利要求9、10或11所述的方法，其特征在于，至少一个局部延伸部使用3D打印技术或增材技术来制作。
13.根据权利要求9至12中的任一项所述的方法，其特征在于，至少一个局部叶片延伸部(20)至少部分地包括环氧树脂材料，或复合或塑料材料，或玻璃纤维或碳纤维，或与环氧树脂材料混合的碳纤维。
14.根据权利要求9至13中的任一项所述的方法，其特征在于，至少一个局部延伸部包括壳(26)和内部部分(28)。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述壳(26)包括分层的复合材料，并且所述内部部分(28)包括树脂材料。
16.根据权利要求9至15中的任一项所述的方法，其特征在于，所述涡轮为弗朗西斯或卡普兰或斜流型的，或为泵涡轮。
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