專利名稱:法蘭西斯型渦輪機的制作方法
技術領域:
本發(fā)明涉及一種法蘭西斯型葉輪以及裝備有該葉輪的渦輪機。
背景技術:
法蘭西斯型葉輪可裝備到不同類型的水力機械中,例如渦輪機、水泵、或水泵水輪機。法蘭西斯型葉輪包括一些葉片,這些葉片圍繞著一中心轉動軸分布,各葉片之間形成了允許水流通過的通道。對于渦輪機的情況而言,這些葉輪葉片的幾何形狀被限定為使得水流能在葉輪上產生力矩。裝備有該葉輪的渦輪機所能輸出的功率取決于其幾何結構以及葉輪的轉動速度,其中的幾何結構尤其是指葉輪的直徑。
在法蘭西斯型水力機械的某些構造形式中,葉輪的直徑是規(guī)定好的—尤其在對已有機組進行修復的情況下,對于這樣的機組,在不完成相當大的土木工程量的情況下,無法改變葉輪的直徑。
如圖1中一些部分被去除的局部俯視圖所示,在常規(guī)法蘭西斯型渦輪機的情況中,水的入射速度V被分解為渦輪機葉片A的擊流緣B的線速度U和水流相對于葉片A的相對速度W。在這些條件下,通常將法蘭西斯型渦輪機的葉輪設計成這樣使得每一葉片的等分線(fibremoyenne)M被定向為沿一直線Δ延伸,該直線相對于擊流緣B前進線速度U所成的夾角α小于90°。
但是,尤其是在修復現(xiàn)有機組的情況下,渦輪機的使用條件可能發(fā)生了改變,具體而言可以是通過降低轉速和/或提高壓頭來進行改造,在此情況下,擊流緣的定向就不再與入射水流的入射角相適配。在此情況下,會在葉片的下表面(intrados)和/或上表面(extrados)附近處產生渦流和/或氣穴現(xiàn)象,這將會降低水力機械的效率,且對磨損和撕裂現(xiàn)象具有加強作用。
發(fā)明內容
本發(fā)明一個特定的目的是通過提出一種新型的法蘭西斯型葉輪來克服上述的缺陷,在被限定的新的使用條件下,該葉輪具有令人滿意的工作效能。
按照該設計思想,本發(fā)明涉及一種法蘭西斯型葉輪,其包括一頂板、一輪箍、以及一些葉片,葉片在所述頂板與所述輪箍之間延伸,這些葉片之間形成了流體的流道。該葉輪的特征在于每一葉片最大厚度與其等分線平均展開長度的比值在0.1到0.2之間,同時,在該擊流緣處,在擊流緣幾乎整個高度的范圍內,等分線都沿一直線進行定向,該直線與擊流緣的前進線速度方向形成大于90°的夾角(α)。
由于本發(fā)明的設計,關于擊流緣定向和葉片最大厚度的組合方案使得葉輪能在不產生有害渦流或氣穴現(xiàn)象的前提下正常工作。
根據本發(fā)明其它有利的方面,該葉輪包括下列的一個或多個特征[10]-上述比值大于0.13,且優(yōu)選地是大于0.15;[11]-在擊流緣處,葉片前進線速度與在所述擊流緣處該葉片等分線之間夾角的平均值在110°到140°之間;[12]-每一葉片都是由一型殼(peau)形成的,該型殼構成了葉片的兩個側面,并圍限出了葉片的中空空間。這樣的結構實現(xiàn)了這樣的構想在葉片質量并不很大、且原材料的成本價格并不很高的前提下,形成了相對較厚的葉片。在此情況下,型殼可以是金屬質的,或者是用復合材料制成的。還可將型殼設計成這樣該型殼是通過將兩板件組裝到一起而形成的,兩板件分別構成了葉片的下表面和上表面。根據一個有利的方面,可用一種填料襯填葉片的內部空間。
本發(fā)明還涉及一種法蘭西斯型水力機械,其包括前述的葉輪。
在閱讀了下文參照附圖對根據本發(fā)明原理的法蘭西斯型渦輪機葉輪的實施方式所作的描述之后,能更加容易地領會本發(fā)明,并清楚地認識到本發(fā)明其它的優(yōu)點,其中,下文的描述僅是作為舉例,在附圖中[15]圖1中的局部俯視圖表示了普通法蘭西斯型渦輪機的情況; 圖2是一個部分去除的軸測圖,其表示了根據本發(fā)明的法蘭西斯型渦輪機葉輪;[17]圖3是與圖1類似的視圖,其表示的是圖2中的渦輪機;以及[18]圖4是一個放大的原理性剖面圖,表示了圖2和圖3所示葉輪上葉片。
具體實施例方式圖2到圖4所示的葉輪1包括一些相同的葉片2,這些葉片圍繞葉輪1的中心轉動軸線X-X′分布。在葉輪1的上部設置了一個頂板3,而輪箍4則作為葉片2上徑向外側部分的下邊界。因而,在每對相鄰的葉片2之間形成一流動通道5,這一通道由頂板3和輪箍4限定邊界。
標號21指代葉片2的擊流緣。22指代葉片的溢流緣。葉片2的等分線23被定義為在該葉片的每一橫截面上,與葉片2下表面24和上表面25距離相等的那條曲線。
L指代該等分線23的平均長度,該平均值被認為是等于等分線兩個長度值之和的一半,其中的一個長度值是葉片2在頂板3平面上的長度,另一長度值是葉片2在輪箍4平面上的長度。
e指代葉片2的最大厚度。
葉片2的幾何形狀被選定為使得比例e/L位于0.1到0.2之間,也就是說,e是長度L的10%到20%。
在比值e/L位于0.13到0.18之間的情況下,執(zhí)行了決定性的試驗。具體來講,比值e/L約等于0.16的葉輪的工作狀況非常令人滿意。
另外,葉片2的幾何形狀被設計成這樣在擊流緣21的附近,等分線23沿一直線Δ23延伸,該直線相對于擊流緣21前進的線速度U方向形成一個大于90°的夾角α。
在擊流緣21的整個高度范圍內,該α的平均值在110°到140°之間,優(yōu)選地是其最大值小于150°。
圖2所示的構造形式是這樣的在擊流緣21與頂板3之間連接點到其與輪箍4之間連接點214之間,在擊流緣21的幾乎所有高度范圍內,都采用了相同的構造形式。
換言之,在擊流緣21的平面上,從溢流緣22指向擊流緣21的等分線23沿直線Δ23延伸,其中的直線相對于葉輪1上經過擊流緣21的半徑線R21與擊流緣21前進線速度U的相逆。因而,在圖3中,從半徑線R21轉向直線Δ23需要在逆三角方向上執(zhí)行一定的轉動R。如果葉輪在反方向上轉動—即在該逆三角方向上轉動,則上述的幾何布局結構就要逆反。因而,對于水流入射速度V與為現(xiàn)有渦輪機設計的入射速度類似的情況,且當水流定向在相同的方向上時,在擊流緣21的線速度U相對較低的情況下,可能達到這樣的效果噴射到擊流緣21上水流的入射方向與直線Δ23對正—例如如圖3中的箭頭W所示,箭頭W在擊流緣的參考系中代表入射流的速度。
葉片2相對較大的厚度e使得其下表面24處產生渦流的可能性降低。
如圖4所示,考慮到葉片2的厚度e較大,利用一金屬型殼26來制造葉片2,該型殼圍出了一個中空的空間V2,因而,相比于葉片2被制成實心整體件的情況,能顯著地減輕重量,并節(jié)省材料。型殼26是通過將兩金屬薄板261、262沿兩焊接區(qū)271、272的平面焊接到一起而制成的。
在一種改型中,可利用復合材料(包括纖維增強的有機樹脂)板件來制成型殼26。
為了使葉片2具有很好的尺寸穩(wěn)定性,用一定質量的填充材料28將空間V2填實,其中的填充材料例如是泡沫塑料材料。
權利要求
1.法蘭西斯型葉輪,其包括一頂板、一輪箍、以及一些葉片,葉片在所述頂板與所述輪箍之間延伸,所述葉片之間形成流體的流道,其特征在于每一葉片最大厚度(e)與其等分線(23)平均展開長度(L)的比值(e/L)在0.1到0.2之間;在每個葉片的擊流緣(21)處,在所述擊流緣的幾乎整個高度上,所述等分線都沿一直線(Δ23)進行定向,該直線與所述擊流緣的前進線速度(U)方向形成一個大于90°的夾角(α)。
2.根據權利要求1所述的葉輪,其特征在于所述比值(e/L)大于0.13,優(yōu)選為大于0.15。
3.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪,其特征在于在所述擊流緣(21)處的所述葉片(2)的前進線速度(U)方向與在所述擊流緣處的所述葉片等分線(23)之間夾角(α)的平均值在110°到140°之間。
4.根據上述權利要求中任一項所述的葉輪,其特征在于每一葉片(2)都是由一型殼(26)形成的,該型殼構成所述葉片的兩個側面(24、25),并形成所述葉片的中空空間(V2)。
5.根據權利要求4所述的葉輪,其特征在于所述型殼(26)是金屬質的。
6.根據權利要求4所述的葉輪,其特征在于所述型殼(26)是用復合材料制成的。
7.根據權利要求4至6中任一項所述的葉輪,其特征在于所述型殼(26)是通過將兩板件(261、262)組裝(271、272)到一起而形成的,所述兩板件分別構成所述葉片(2)的下表面(24)和上表面(25)。
8.根據權利要求4至7中任一項所述的葉輪,其特征在于用一種填料(28)襯填所述葉片的內部空間(V2)。
9.法蘭西斯型水力機械,其裝備有根據前述權利要求中任一項所述的葉輪(1)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種法蘭西斯型葉輪以及帶有該葉輪的水力機械。本發(fā)明的法蘭西斯型葉輪包括一頂板、一輪箍、以及一些葉片(2),葉片在頂板與輪箍之間延伸,葉片之間形成了流體的流道。每一葉片(2)最大厚度(e)與其等分線(23)平均展開長度(L)的比值(e/L)在0.1到0.2之間。根據本發(fā)明,在擊流緣(21)幾乎整個高度的范圍內,所述等分線(23)都沿一直線(Δ
文檔編號F03B3/00GK1703579SQ200380100863
公開日2005年11月30日 申請日期2003年10月2日 優(yōu)先權日2002年10月2日
發(fā)明者D·巴贊, M·H·庫斯東 申請人:阿爾斯通技術有限公司