[发明专利]混流式水轮机转轮叶片的出水边

说明书

技术领域：本发明涉及一种混流式水轮机转轮叶片的出水边。

技术背景：转轮是水轮机最核心的部件，决定了机组对水能的利用率和能否安全稳定运行，而叶片是转轮的最关键的部件。对于大中型混流式水轮机，叶片裂纹问题一直困扰着业内人士，特别是随着中国水轮机研发和制造技术的不断进步，以及业主对电站经济效益越来越高的要求，中国水电站向大容量及超大容量的方向发展，机组尺寸越来越大。随着混流式转轮尺寸的增加，叶片裂纹和出口卡门涡问题越发显得突出。

发明内容：本发明的目的是提供一种能够减小叶片出口与上冠、下环处的应力，而且有效降低出口的绕流能量，从而防止叶片裂纹和出口卡门涡振动的混流式水轮机转轮叶片的出水边。本发明采用如下技术方案：一种混流式水轮机转轮叶片的出水边，叶片包括叶片本体、上冠处降应力三角块和下环处降应力三角块，在叶片靠近上冠和下环处带有附加三角形；中三角块、三角块的尺寸确定：P1至P2的空间距离为D₁/40～D₁/20且不小于75mm；D1为混流式转轮进口公称直径，P1至P3的空间距离为D₁/30～D₁/15且不小于100mm；P4至P5的空间距离为P1至P2的空间距离的1/2；P4至P6的空间距离为P1至P3的空间距离的1/2；上冠处降应力三角块2的厚度可选取为0.007～0.008倍D₁，下环处降应力三角块3的厚度可选取为0.005～0.006倍D₁；叶片出水边点P3至P6之间部分采用防卡门涡的形状，叶片出水边厚度为H，出水边导圆角度取45°，出水边导圆半径R取3～4倍H；叶片在加工制造过程中，P2、P5对应位置的出水边形状为方形，在转轮焊接完成后，P3至P2及P6至P5的出水边应打磨为防卡门涡出水边向半圆形出水边的光滑过渡。

本发明的技术方案会使混流式水轮机在以下方面获益：

a)加强了叶片出口与上冠、下环连接位置(图1中2、3区域)的刚强度；转轮改进前后相关有限元强度分析计算表明，最大工作应力能降低20％左右。

b)通过对叶片与上冠、下环连接位置施加降应力三角块能有效降低转轮高应力区的应力，避免叶片与上冠、下环连接位置裂纹的产生，对多个电站的实际应用效果分析，转轮的大修间隔时间可提高一倍以上。

c)通过采用防卡门涡的出水边形状，降低叶片出口卡门涡的能量，有效解决由叶片出口卡门涡引起的振动问题。

d)叶片出口角点在焊接完成前为方形，可提高该位置的刚度，减小数控加工及运输过程中的变形，并提高该位置的可焊性能。焊接后还可提高三角区的刚度。

附图说明：

图1为叶片轴面出水边示意图

图2为图1的A-A剖视图

图3为图1的I放大图

图4为图1的II放大图

图5为叶片俯视图

具体实施方式：

如图1、图5所示，叶片本体1、上冠处降应力三角块2和下环处降应力三角块3，在叶片靠近上冠和下环处带有附加三角形；如图1、图5所示，三角块2、三角块3的尺寸确定：P1至P2的空间距离为D₁/40～D₁/20且不小于75mm；D₁为混流式转轮进口公称直径，P1至P3的空间距离为D₁/30～D₁/15且不小于100mm；P4至P5的空间距离为P1至P2的空间距离的1/2；P4至P6的空间距离为P1至P3的空间距离的1/2；上冠处降应力三角块2、下环处降应力三角块3上冠处降应力三角块2的厚度可选取为0.007～0.008倍D₁，下环处降应力三角块3的厚度可选取为0.005～0.006倍D₁；图1中叶片出水边点P3至P6之间部分采用防卡门涡的形状，如图2中A-A剖面图所示，其要点在于：叶片出水边厚度为H，出水边导圆角度取45°，出水边导圆半径R取3～4倍H；叶片在加工制造过程中，图3中P2、图4中P5对应位置的出水边形状为方形，在转轮焊接完成后，由图3中P3至图3中P2及图4中P6至图4中P5的出水边应打磨为防卡门涡出水边向半圆形出水边的光滑过渡。

通过上述降应力三角块及叶片出水边形状的优化设计，使混流式水轮机叶片高应力区应力明显降低，出口绕流能量大幅减小，有效防止叶片裂纹的产生和叶片出口卡门涡振动问题的出现。