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CN101713364B - 水力机械 - Google Patents

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Abstract

包括：水轮机叶轮(50)，其中心侧有上冠(51)，外围侧有下环(52)，形成在转动轴(C)周围；长叶片(53)，其沿转动轴(C)的周方向设置多个，其中心侧支撑在上冠(51)上，其外围侧支撑在下环(52)上；短叶片(54)，其中心侧支撑在上冠(51)上，其外围侧支撑在下环(52)上，并且分别设置在多个长叶片(53)之间，在垂直于转动轴(C)的投影平面上，其后缘(54a)向水轮机运行时的水轮机叶轮(50)的转动方向形成为凸状。

Description

水力机械
技术领域
本发明涉及具有法兰西式水轮机的水轮机叶轮的水力机械，特别涉及由改良分瓣叶轮的叶片形状来提高水轮机性能的技术。
背景技术
安装在水力机械上的法兰西式水轮机，如图13所示，沿转子状叶轮101的周方向，等间隔地设置叶轮叶片102。图13中，103表示上冠，104表示下环，支撑叶轮叶片102。另外，图中箭头F表示水流，虚线C表示转动轴。
在这样的水力机械中，通过在水轮机运行时改变导流叶片(未图示)的开度，从而调整流入叶轮101的水量，改变发电量。因此，叶轮101内的流动随水量而变化较大，设计点中，从导流叶片流入的流动F沿着叶轮101的流线流动。
但是，流量变小后，叶轮内部的流动因叶轮转动产生的离心力而偏向下环104侧流动。而流量变大后，从导流叶片向叶轮101中心方向的能量变大，叶轮101的转动力所产生的离心力也变大，所以会偏向上冠103侧流动。不沿着此流线的流动称为二次流动，该二次流动发生后，叶轮101中会发生损失。如果能抑制大流量侧、小流量侧发生该二次流动，就能够提供大范围且叶轮损失小的叶轮101。
防止上述二次流动的方法有下述分瓣叶轮110：如图14所示，在作为通常的叶轮叶片的长叶片111之间安装作为短的叶轮叶片的短叶片112。图中箭头R表示水轮机运行时的转动方向。该分瓣叶轮110中，由短叶片112能够抑制非设计点中的流动偏离，降低损失，在图15所示的部分负载运行中，能够抑制偏向下环侧的流动。
上述分瓣叶轮110的长叶片111的后缘111a和短叶片112的后缘112a如图16所示，从下环104到上冠103构成直线状，向转动轴C呈放射状。
作为分瓣叶轮相关的技术，有短叶片后缘形状相关的技术。例如，短叶片的泵运行的前缘相对泵运行时的转动方向，使下环侧比上冠侧后退，目的在于提高泵运行中的空洞性能。例如有日本专利公报专利3782752号公报(以下称为专利文献1)。
另外，水轮机运行时的短叶片后缘的下环侧相对水轮机运行时的转动方向，比上冠侧后退，目的在于提高水轮机运行时或泵运行时的空洞性能。例如日本公开专利公报特开2003-65198号公报(以下称为专利文献2)。
具有上述分瓣叶轮的水力机械中，有以下问题。即，虽然能够抑制大流量或小流量时的二次流动，但在大的水量范围内，无法实现水轮机效率的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供能够防止二次流动发生且能够在大的水量范围内提高水轮机效率的水力机械。
为了解决上述课题，本发明的水力机械有下述结构。
(1)特征在于，包括：叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向水轮机运行时的上述叶轮的叶轮方向形成为凸状。
(2)特征在于，包括：叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动轴的转动方向形成为凸状，连接上述后缘与上述下环的交点和上述转动轴的直线与连接从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的长度的中点和上述转动轴的直线所构成的角度为θb，将θb的正方向作为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，θb＞0°。
(3)特征在于，包括：叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动轴的转动方向形成为凸状，连接上述后缘与上述上冠的交点和上述转动轴的直线与连接从短叶片后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的中点和上述转动轴的直线所构成的角度为θc，将θc的正方向作为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，θc＞0°。
(4)特征在于，包括：叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间；上述长叶片及上述短叶片与上述上冠及上述下环的接合面上分别在流下方向有三角状的圆角结构部，上述短叶片的圆角结构部比上述长叶片的圆角结构部大。
通过本发明，能够防止二次流动发生且能够提高大的水量范围内的水轮机效率。
附图说明
图1是表示本发明第1实施方式涉及的安装有水轮机叶轮的水力机械的纵剖视图。
图2是表示从水轮机出口侧看同一水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图。
图3是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。
图4是表示从水轮机出口侧看本发明第2实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图。
图5是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。
图6是表示同一水轮机叶轮中的小流量侧的叶轮内部流动的模式图。
图7是表示从水轮机出口侧看本发明第3实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图。
图8是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。
图9是表示同一水轮机叶轮中的大流量侧的叶轮内部流动的模式图。
图10是表示从水轮机出口侧看本发明第4实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图。
图11是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。
图12是表示从水轮机出口侧看本发明第5实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图。
图13是表示水轮机叶轮一例中的叶轮内部流动的模式图。
图14是表示分瓣叶轮的一例的俯视图。
图15是表示从水轮机出口侧看同一水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图。
图16是表示同一分瓣叶轮的叶轮内部流动的模式图。
符号说明
10水力机械
20外壳
30发电机
40吸出管
50、60、70、80、90水轮机叶轮
51上冠
52下环
53、63、73、83、93长叶片
54、64、74、84、94短叶片
54a、64a、74a、84a、94a后缘
具体实施方式
图1是表示本发明第1实施方式涉及的安装有法兰西式水轮机叶轮50的水力机械10的结构的纵剖视图，图2是表示从水轮机出口侧看同一水轮机叶轮50时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图，图3是表示同一水轮机叶轮50的效率的分布图。
如图1所示，水力机械10具有：外壳20，设置在该外壳20上部的发电机30，设置在外壳20出口侧的吸出管40。外壳20设置有固定导叶21和导流叶片22。在外壳20内部，自由转动地设置有形成在转动轴C周围的水轮机叶轮50，安装在发电机30的主轴31上。
水轮机叶轮50，其中心侧有上冠51，外周侧有下环52。如图2所示，包括：长叶片53，其沿转动轴C的周方向设置多个，其中心侧支撑在上冠51上，其外围侧支撑在下环52上；短叶片54，其中心侧支撑在上冠51上，其外围侧支撑在下环52上，并且分别设置在长叶片53之间。短叶片54在垂直于转动轴C的投影平面上，其后缘54a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状。即，水轮机叶轮50的短叶片54的后缘54a的形状为曲线状，与中央相比，上冠51侧及下环52侧向转动方向R后退。
短叶片54在投影平面中，连接后缘54a与下环52的交点P和转动轴C的直线L1与连接从后缘54a的上冠侧端部54b到下环侧端部54c为止的长度的中点Q和转动轴C的直线L2所构成的角度为θb。连接后缘54a与上冠51的交点S和转动轴C的直线L3与连接从后缘54a的上冠侧端部54b到下环侧端部54c为止的中点Q和转动轴C的直线L2所构成的角度为θc。将θb、θc的正方向作为水轮机运行时的转动方向R时，3°≤θb≤6°，且4°≤θc≤8°。
在上述结构的水力机械10中，水轮机运行时如下述动作。即，通过水压铁管导入外壳10内的水流，通过固定导叶11及导流叶片12流入水轮机叶轮50，由该水流转动驱动水轮机叶轮50，通过主轴31驱动发电机30。而驱动水轮机叶轮50后的水经吸出管40向外部的放水路流出。
这时，改变决定短叶片后缘形状的θb、θc后，如图3所示，形成水轮机效率的分布。这里的水轮机效率是设计流量、大流量、小流量的各效率的平均值。图3中，θb为4°、θc为5°附近有效率最大点(100％)。即，为了提高从小流量到大流量的平均水轮机效率，将短叶片出口形状设定为3°≤θb≤6°且4°≤θc≤8°的范围是有效的。图中各数值表示相对最大点的相对效率。
如上述，本实施方式所涉及的水力机械10中，短叶片54的后缘54a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高从小流量到大流量的平均水轮机效率。
图4是表示从水轮机出口侧看本发明第2实施方式涉及的水轮机叶轮60时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图，图5是表示同一水轮机叶轮60的效果的说明图，图6是表示水轮机叶轮60中的小流量侧的叶轮内部流动的模式图。这些图中，与图1及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。
水轮机叶轮60中，设置长叶片63来取代长叶片53，设置短叶片64来取代短叶片54。短叶片64在垂直于转动轴C的投影平面中，其后缘64a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状。具体来说，短叶片64在投影平面中，连接后缘64a与下环52的交点P和转动轴C的直线L1与连接从后缘64a的上冠侧端部64b到下环侧端部64c为止的长度的中点Q和转动轴C的直线L2所构成的角度为θb。这时，将θb的正方向作为水轮机运行时的叶轮转动方向时，设定θb＞0°。
上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。这时，根据θb的值不同，水轮机效率发生变化。图5是由流动解析来比较改变θb时的设计点、小流量点、大流量点中的水轮机效率相对值的图。在小流量的运行状态中，θb变大时水轮机效率提高，但在大流量侧的运行状态中，θb变大时水轮机效率降低。在设计点中，效率相对θb的变化量小于小流量侧和大流量侧。即，重视小流量侧效率时增大θb，即通过设定θb＞0°能够提高效率。
图6表示θb为3°时的小流量运行时的流动模式图。实线箭头F表示本实施方式中的水流，虚线箭头W作为比较例表示θb为0°时的水流。可知，相对比较例的水流W偏向下环52侧，水流F能够抑制上述偏流。通过抑制该偏流，能够提高水轮机效率。
如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片64的后缘64a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高小流量中的水轮机效率。
图7是表示从水轮机出口侧看本发明第3实施方式涉及的水轮机叶轮70时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图，图8是表示同一实施效果的说明图，图9是表示大流量侧的叶轮内部流动的模式图。这些图中，与图1及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。
水轮机叶轮70中，设置长叶片73来取代长叶片53，设置短叶片74来取代短叶片54。短叶片74在垂直于转动轴C的投影平面中，其后缘74a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状。具体来说，连接后缘74a与上环51的交点S和转动轴C的直线L3与连接从后缘74a的上冠侧端部74b到下环侧端部74c为止的中点Q和转动轴C的直线L2所构成的角度为θc。这时，将θc的正方向作为水轮机运行时的叶轮转动方向时，设定θc＞0°。
上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。这时，根据θc的值不同，水轮机效率发生变化。
图8是由流动解析来比较改变θc时的设计点、小流量点、大流量点中的水轮机效率相对值的图。在大流量的运行状态中，θc变大时水轮机效率提高，但在小流量侧的运行状态中，θc变大时水轮机效率降低。在设计点中，效率相对θc的变化量小于小流量侧和大流量侧。即，重视大流量侧效率时增大θc，即通过设定θc＞0°能够提高效率。
图9表示θc为4°时的大流量运行时的流动模式图。实线箭头F表示本实施方式中的水流，虚线箭头G作为比较例表示θc为0°时的水流。可知，相对比较例的水流G偏向下环52侧，水流F能够抑制上述偏流。通过抑制该偏流，能够提高水轮机效率。
如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片74的后缘74a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高大流量中的水轮机效率。
图10是表示从水轮机出口侧看本发明第4实施方式涉及的水轮机叶轮80时的、在垂直于转动轴的平面上的投影图，图11是表示同一实施效果的模式图。这些图中，与图1及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。
水轮机叶轮80中，设置长叶片83来取代长叶片53，设置短叶片84来取代短叶片54。短叶片84在垂直于转动轴C的投影平面中，其后缘84a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状。具体来说，将从后缘84a的上冠侧端部84b到下环侧端部84c为止的半径方向的长度作为A，将从后缘84a向水轮机转动方向形成为凸状的最大位置T到上冠侧端部84b为止的长度作为B时，设定为0.25A≤B≤0.75A。
上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。这时，根据B值不同，水轮机效率发生变化。
图11是表示改变B值时将小流量、设计点、大流量中的水轮机效率平均化时的水轮机效率变化的图。可知，在0.25A到0.75A的范围内，效率提高。即，为了提高从小流量到大流量的平均水轮机效率，通过将从短叶片84的后缘84a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状的最大位置T到上冠侧端部84b为止的长度B设定为0.25A≤B≤0.75A的范围内，能够在大范围内提高水轮机效率。
如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片84的后缘84a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高从小流量到大流量的平均水轮机效率。
图12是表示从水轮机出口侧看本发明第5实施方式涉及的水轮机叶轮90时的、在垂直于转动轴C的平面上的投影图。这些图中，与图1及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。
水轮机叶轮90中，设置长叶片93来取代长叶片53，设置短叶片94来取代短叶片54。长叶片93的后缘93a中的与上冠51或下环52的接合面，即上冠侧端部93b及下环侧端部93c上安装有三角形的圆角结构部95。无论哪个圆角结构部95、96都位于长叶片93、短叶片94的流下方向。同样，短叶片94的后缘94a的上冠侧端部94b及下环侧端部94c上设置有三角形的圆角结构部96。该圆角结构部95、96是焊接长叶片93及短叶片94和上冠51或下环52时出现的圆角状部位。并且，短叶片94的圆角结构部96比长叶片93的圆角结构部95大。
长叶片93及短叶片94最初制造在径向呈放射状的叶片形状，然后在由焊接等安装上冠51和下环52时，通过设置圆角结构部95、96，能够制成向转动方向形成为凸状。这样制作比将长叶片93的后缘93a和短叶片94的后缘94a制成曲线状要容易。
上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。短叶片94向转动方向形成为凸状，所以能够与上述各实施方式一样提高水轮机效率。并且通过设定为满足规定条件的形状，能够比较容易地调整重视小流量侧和重视大流量侧的形状。
如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片94的后缘94a向水轮机运行时的转动方向R形成为凸状，能够提高水轮机效率，同时其制作也变容易。
本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段，只要不脱离其宗旨，可以改变结构要素具体化。并且，通过适当组合上述实施方式所述的多个结构要素，能够形成各种发明。例如可以从实施方式的所有结构要素中删除几个结构要素。也可以适当组合不同实施方式的结构要素。

Claims (6)

1.一种水力机械，其特征在于，包括：
叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；
长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上；
短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在多个上述长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向水轮机运行时的上述叶轮的转动方向形成为凸状。
2.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，对于上述短叶片，在垂直于上述转动轴的投影面上，将上述后缘与上述下环的交点和上述转动轴连接的直线与将从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的长度的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度设为θb，将上述后缘与上述上冠的交点和上述转动轴连接的直线与将从上述后缘的上述上冠侧端部到上述下环侧端部为止的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度设为θc，且将上述θb、θc的正方向设为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，满足3°≤θb≤6°，及4°≤θc≤8°。
3.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，对于上述短叶片，在垂直于上述转动轴的投影平面中，在将从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的半径方向的长度作为A，将从向上述转动方向形成为凸状的最大位置到上述上冠侧端部为止的长度作为B时，使0.25A≤B≤0.75A。
4.一种水力机械，其特征在于，包括：
叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；
长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；
短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在多个上述长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动轴的转动方向形成为凸状，并且，在垂直于上述转动轴的投影平面上，将上述后缘与上述下环的交点和上述转动轴连接的直线与将从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的长度的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度设为θb，将θb的正方向设为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，θb＞0°。
5.一种水力机械，其特征在于，包括：
叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；
长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；
短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在多个上述长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动轴的转动方向形成为凸状，并且，在垂直于上述转动轴的投影平面上，将上述后缘与上述上冠的交点和上述转动轴连接的直线与将从短叶片后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度设为θc，将θc的正方向设为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，θc＞0°。
6.一种水力机械，其特征在于，
包括：
叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；
长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；以及
短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在多个上述长叶片之间；
上述长叶片及上述短叶片与上述上冠及上述下环的接合面上分别在流下方向有三角状的圆角结构部，上述短叶片的圆角结构部比上述长叶片的圆角结构部大。
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