[发明专利]具有短叶片和短下环的法氏水轮机

说明书

技术领域

本发明涉及水轮机，例如法氏水轮机。本发明具体地涉及法氏水轮机的转轮的叶片和下环。

背景技术

图1示出了构造成将液压能量转换成扭矩以驱动发电机(未示出)的常规法氏水轮机1。水通常流经螺旋壳体2流入到围绕水轮机1的旋转转轮3的分配器13中。分配器13可以具有固定导叶132和导流叶片130。水在具有垂直轴线的水轮机内沿着水平方向以大致螺旋运动的方式向内流入转轮。水的旋转速度驱动转轮绕轴线旋转。当水流经转轮时，水的输送部件从水平流转变为大致垂直流出。水从转轮流入到转轮下方的引流管5的垂直锥体中。

在水轮机具有水平轴线的情况下，水以大体螺旋运动的方式向内流入转轮。水的旋转速度驱动转轮绕轴旋转。当水流经转轮时，水转向大致水平流出。水从转轮流入到转轮下游的引流管的水平锥体中。

法氏水轮机的转轮3通常包括冠部6，该冠部6具有沿着转轮3的轴线11朝下环8延伸的回转表面，并且叶片7从冠部6的旋转表面延伸到环形下环8。每个叶片7具有前缘和后缘。这些边缘的端部连接到冠部6和下环8。转轮3可以位于水轮机中的底环22上方。

水进入转轮3，围绕叶片的前缘流动，在叶片之间流动，并且经过叶片的后缘，然后流入引流管5中。

水的速度通常在下环附近比在转轮的冠部附近更快。高速水流在下环处和下环附近导致相对高的液压摩擦，这降低了涡轮的效率，因为一部分能量损失于摩擦。高速水也导致转轮中的低静压。低压可导致空化气泡的形成，空化气泡可损坏叶片、下环和冠部的表面。

在水轮机领域中，转轮下环也被称为护罩或环。冠部也被称为轮毂。叶片的前缘也称为入口边缘或流入边缘。叶片的后缘也称为转轮叶片的出口边缘或流出边缘。本公开可以参考不同的转轮构件可互换地使用这些术语。

图2和图3分别是示例性的常规法氏水轮机转轮9的侧视图和底视图，其沿着转轮9的旋转轴线11在方向(R)上旋转。转轮9包括转轮叶片10的环形阵列，环形下环12和冠部14。当从冠部14观察时，转轮9顺时针旋转。冠部14具有通常沿着旋转轴线11面向下环12的旋转表面。冠部14中的开口23与轴线11同轴，并且可以接收发电机的轴。

图2示出了为了说明目的叠加在下环12上的叶片10的端部18。叶片10的端部接合(例如焊接)到下环12，但不需要延伸穿过下环12。在转轮9的实际实施例中，叶片10的端部18可能不能通过下环12可见。

叶片10以环形阵列布置在转轮9的下环12和冠部14之间的环形阵列中。叶片10引导来自螺旋壳体2的水在下环和冠部之间流动并进入引流管5，如图1中所示。

每个叶片10具有与从前缘16到后缘20的曲线延伸的类似形状。前缘16在转轮9的入口处，并且后缘20在出口处。在叶片10的图像上绘制虚拟流线17、19以示出叶片10的形状。在叶片10的吸入侧上示出了实心虚拟流线17，并且在叶片10的吸入侧上示出了虚拟流线19。叶片10的吸入侧面向转轮的旋转(R)方向，并且压力侧面向远离旋转(R)方向。每个虚拟流线17、19绘制在叶片10的从前缘16到后缘20的表面上。

每个叶片10具有四个拐角P、Q、S和T。叶片端部21的两个拐角P和S邻接冠部14，并且两个拐角Q和T邻接下环12。拐角P、S邻接冠部14的外表面。拐角P靠近冠部14的上游区域，并且拐角S在冠部14的下游区域25处。叶片端部18的拐角Q和T邻接下环12，且拐角Q位于下环12的第一边缘附近，拐角T位于下环12的第二边缘附近。

冠部14的外表面支撑叶片10的端部21。端部21可以例如通过焊接连接到冠部14。冠部14可以具有内部开口以接收驱动轴。冠部14的外表面的部分24在流动方向上延伸超过叶片10的拐角S。冠部14的部分24面向引流管5。

下环12是支撑叶片10的端部18的环形结构。下环12可以具有朝水轮机转轮3的轴线11弯曲的曲率。曲率符合叶片10的边缘18。下环具有长度(L)和直径(D)。长度(L)是在分配器13的底部15与下环8处的后缘T之间测量的距离。直径(D)是转轮3的出口直径，其是下环12在与后缘T的接合处的直径。在本公开的上下文中称为“下环长度比”的标准化下环长度可以由其长度与其最小直径的比(L/D)来表征。

常规转轮具有至少17％(0.17)的下环长度比。这些在本申请的上下文中被称为长转轮。