[发明专利]水轮机叶片在轮毂上的安装

说明书

技术领域

本发明总体涉及水轮机，且具体地涉及将转子叶片联接到水轮机中的轮毂。更具体地，本发明涉及转子叶片基部上的安装面和轮毂上的相对安装面。

背景技术

图1示出了环形室12中的传统轴流式水轮机10，所述环形室可以嵌入混凝土水坝13中。在图1中所示出的螺旋桨叶片类型的轴流式涡轮机的例子，具体是转子叶片到轮毂的安装，在美国专利公开2009/0092496中公开。

水轮机通常位于适当低于水坝后面的湖或其它水源的表面的高度上。环形室12限定了大致垂直的轴向水流通道，由标注“水”的箭头表示。水流过坝中的通道，穿过环形室越过转子叶片。叶片和轮毂16绕垂直轴线旋转。轴24在轮毂和发电机之间延伸。水力使转子叶片、轮毂和轴旋转，从而驱动产生电力的发电机。

轮毂16在水流方向上是渐缩的，且可以连接到鼻锥18。轮毂的渐缩表面和鼻锥延伸于轮毂的水力轮廓。水平稳地流过轮毂和鼻锥并向下离开水轮机。

流过涡轮机的水越多，通过涡轮机可以传递到发电机的功率值就越多。流过涡轮机的水量受到涡轮机内水通道的最小横截面积的限制。所述最小横截面积通常是室12和轮毂16之间的环形水通道的最窄部分，例如喉部(T)。喉部在涡轮机中通常与转子叶片的末梢处于相同高度。喉部(T)的直径和喉部处轮毂的直径(H)决定了水通道的最小环形面积。喉部与轮毂的比值(T/H)越大，水通道就越大。

转子叶片通常由不锈钢制成，这提供对腐蚀和气蚀的抵抗，但是很贵。在轮毂与转子叶片一体铸造的情况下，轮毂也由不锈钢形成。如果转子叶片不与轮毂一体成型，那么轮毂可以由较便宜的材料制成，比如低碳钢，因为轮毂相比叶片较少暴露于水的气蚀。由低碳钢形成的轮毂可以被涂覆以提供抗腐蚀性。

常见的转子叶片的类型是用螺栓固定到轮毂的螺旋桨式叶片。这种类型的转子叶片具有用螺栓固定到轮毂侧面的凹陷圆形安装架22的圆形基部20，如图1所示。基部的底部具有安装面，其通常是平坦的、圆形的且大致垂直于转子叶片轴线的安装面。

图2示出了另一种具有固定到锥形轮毂30上的转子叶片28的传统水轮机26。每个转子叶片28与轮毂30的一扇段整体铸造。带有叶片的轮毂扇段被布置成环形阵列并且通过套环32保持在一起。

水径向向内流到水轮机26，并向下轴向地排出。涡轮机26是斜流式螺旋桨叶片涡轮机，因为水斜着流过转子叶片。室34围绕转子叶片的末梢的圆柱地延伸。锥形轮毂30安装到顶盖36。轴38连接到轮毂30，延伸穿过顶盖并连接到发电机。

图3示出了传统水轮机40的另一个例子。螺旋桨式转子叶片42和轮毂44作为一体金属铸件被形成。水轮机40是轴流式涡轮机，并按照类似于图2中所示的水轮机26的室12那样被布置在一个室内。

图1至3所示的水轮机展示了转子叶片和轮毂的传统连接。如这些图中所示的，转子叶片可以与轮毂一体铸造，焊接到轮毂，通过套环附接到轮毂，或用螺栓固定到轮毂。整体铸造，焊接以及某些套环的使用是在水轮机制造地点进行的制造和组装步骤。水轮机在叶片被附接到轮毂的状态下被运送到要安装水轮机的水坝。当水轮机太大而不能从制造地点运送到水坝或者其它的水轮机安装地点时，就出现了困难。

将转子叶片用螺栓固定到轮毂所提供的一个优点是一个或多个叶片可以在水坝或其它水轮机安装地点被附接到轮毂。仅运送涡轮机轮毂自身或者不连同它所有的转子叶片一起运送能降低了运输成本和难度。在安装地点将转子叶片用螺栓固定到轮毂节约了运输成本并减少了与运送大型水轮机相关的难度。类似于将叶片用螺栓固定到轮毂，转子叶片可以在安装地点被焊接到轮毂或利用套环被固定。螺栓固定、使用套环以及焊接转子叶片到轮毂都具有降低运输水轮机成本和困难的优点。

发明内容

已经构思出一种用于将转子叶片尤其是螺旋桨式叶片附接到轮毂的转子叶片安装系统。转子叶片可以包括长而窄的基部，其紧靠锥形轮毂侧面上的凹陷安装面安置。转子叶片的基部具有台阶状的且被成形为紧靠轮毂上的安装面的安装面。

台阶状安装面允许基部与轮毂的向内收缩贴合。每个台阶沿着下游方向径向向内地位移一个或多个安装面。类似地，轮毂上的安装面在下游方向上径向向内地形成台阶。因为台阶随着轮毂的收缩径向向内地位移安装面，安装面可以沿着轮毂进一步延伸，而不是像传统的安装面那样不能向内形成台阶。

带有台阶安装面的安装系统可以用于各种类型的水轮机，包括轴流式和斜流螺旋桨式转子叶片以及具有固定叶片的其它涡轮机。所述安装系统对于斜流式涡轮机以及需要减少喉部对轮毂的比值(T/H)的场合是尤其有利的。