專利名稱：法蘭西斯型轉輪及帶有該轉輪的水力機械的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種法蘭西斯型轉輪以及裝備有該轉輪的水力機械。
背景技術：
法蘭西斯型轉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。法蘭西斯型轉輪包括一些葉片，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。這些轉輪葉片的幾何形狀被限定為使得水流能在水輪機上產生力矩—對于渦輪機的情況而言、或者能向流體傳遞運動—對于水泵的情況而言。裝備有該轉輪的水力機械的輸出功率取決于其幾何結構以及與其相關的水流落差(chute)的類型。按照這種方式，渦輪機可輸出的功率被設置為一個參考值，該參考值是由一臺具有相同幾何結構的、其轉輪出口直徑為1米的渦輪機在1米水程落差的條件下所發出的當量功率限定的。在相同的條件下，此功率P11尤其取決于渦輪的轉速N11。
從圖6可看出，可在一坐標系統中確定出一個最優的工況點A，其中的坐標系統將上述條件下的渦輪機功率P11作為同樣條件下轉速N11的函數。將渦輪機效率比工況點A效率(rendement)小3.5％時的功率定義為大負荷下的功率P11FC。在由P11和N11構成的坐標參考系中，確定出一些曲線I99、I98、I97等，在這些曲線上，渦輪機的效率恒等。另外，參考系中還定義了一個值得注意的工況點B，其與工況點A具有相同的橫坐標，在該工況點上，渦輪機的功率等于P11FC。
為每一渦輪機都定義一個在大負荷條件下的當量功率P11FC，獲得該功率的條件即為工況點B的條件。
如圖7所示，目前渦輪機在大負荷條件下的當量功率P11FC都位于第一區域Z1中，如上文所述，該當量功率被表達為轉速N11的函數，這將表明大負荷下的當量功率P11FC隨轉速N11的增大而增大。有時必須要得到在大負荷下的相對較高的當量功率。尤其是，在對現有裝機進行改建的情況下，轉速N11是設定的，這實際上就會限制常規渦輪機所能達到的功率值P11FC。
迄今為止，由于認為從技術/經濟性的角度考慮上述問題的解決方案是變劣的，所以水力機械設計者尚未真正研究過負荷相對較高條件下當量功率相對于轉速N11的關系。
發明內容
本發明通過研究了近似對應于圖7所示區域Z2中水力機械的流量、功率、以及轉速，否定了本領域技術人員的這一偏見。事實已證明通過恰當地選擇渦輪的某些特性，能獲得具有更高效率的技術方案，從下文的描述可清楚地領會到這一點。
在本發明的設計思想中，本發明涉及一種法蘭西斯型轉輪，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。該轉輪的特征在于在轉輪中葉片與輪箍連接處的附近，葉片行進線速度與葉片逸流緣(bord de fuite)高度上中線之間的夾角在20°到25°之間。
由于本發明的設計，葉片逸流緣相對于它們線性行進方向的定向對轉輪所能輸送的大流體流量具有非常重要的效果，這就可實現這樣的效果在不使水力機械的效率惡化的情況下，使機械的功率值顯著高于現有技術中水力機械的功率。
根據本發明有利的、但非強制性的方面，該轉輪包括下列的一個或多個特征[11]-在葉片逸流緣的整個長度范圍內，線速度與上述中線之間夾角的最大值小于34°；[12]-在葉片逸流緣的整個長度范圍內，線速度與上述中線之間夾角的平均值在20°到30°之間；[13]-在葉片擊流緣(bord d′attaque)的整個長度范圍內，線速度與該葉片中線在擊流緣高度上的平均夾角的數值在70°到120°之間；[14]-在葉片與輪箍的連接點附近，線速度與上述中線之間夾角的數值在70°到120°之間；[15]-沿與轉輪轉動軸線平行的方向進行觀察，葉片擊流緣與逸流緣之間的覆蓋角[16]·在輪箍所在的高度上，該覆蓋角是小于25°的數值；[17]·在頂板所在的高度上，該覆蓋角是小于37°的數值；以及[18]·在擊流緣和逸流緣的長度范圍內，該覆蓋角的平均值小于31°。
-輪箍具有一個子午線截面，在其中間三分之一高度的范圍內，該截面最小直徑相對于輪箍的一個直徑至少小2％，其中，輪箍的直徑是指其與上述葉片逸流緣連接點高度處的直徑。
本發明還涉及一種法蘭西斯型水力機械，其包括前述的轉輪。該機械可由一個渦輪機構成，在1米落差和轉輪出口直徑為1米的條件下，該渦輪機可輸出一個大負荷的當量功率(puissance équivalente)(以千瓦為單位)，該當量功率與渦輪機在相同條件下的轉速(以rpm為單位)的比值在0.16到0.175之間。令人驚奇的是，這樣的機械能在通常所采用的N11范圍內獲得令人滿意的效率。
在閱讀了下文參照附圖對根據本發明的法蘭西斯型渦輪機所作的描述之后，能更加容易地領會本發明，并清楚地認識到本發明其它的優點，其中，下文的描述僅是作為舉例，在附圖中[22]圖1中的軸測圖表示了根據本發明的法蘭西斯型渦輪轉輪；[23]圖2表示了圖1所示轉輪的半子午線剖面；[24]圖3是沿圖2中的III線對葉片的型廓所作的展開剖面圖；[25]圖4是與圖3類似的剖面圖，該剖面圖是沿圖2中的IV線作出的，表示了葉片與輪箍之間的接合區域；[26]圖5是圖2到圖4所示葉片的俯視圖，圖中為了清楚起見而去掉了頂板和輪箍；[27]圖6示意性地表示了等效率量的曲線，效率量作為上述條件下渦輪機當量功率和轉速的函數；以及[28]圖7表示了不同渦輪機重載當量功率(P11FC)的分布，其中，當量功率作為其在上述條件下轉速的函數。
具體實施例方式圖1到圖5所示的轉輪1包括一些相同的葉片2，這些葉片圍繞轉輪1的中心轉動軸線X-X′分布。在轉輪1的徑向內側上部設置一個頂板3，而輪箍4處于葉片2的徑向外側下部的邊上。因而，在每對相鄰的葉片之間形成一流動通道5，這一通道由頂板3和輪箍4限界。
標號21指代葉片2的擊流緣。22指代葉片的逸流緣。213代表擊流緣21與頂板3的接合點。214代表擊流緣21與輪箍4的接合點。223指代逸流緣22與頂板3的接合點，標號224代表逸流緣22與輪箍4的接合點。
圖2中的III線代表沿葉片2的軸對稱流的渦面的子午線跡線。箭頭E代表該軸對稱流。
在圖3的圖示中，軸對稱流E基本上垂直于葉片2行進線速度U的方向，該線速度U等于轉輪1每分鐘轉數與π、以及轉輪標稱直徑的乘積。
標號23指代葉片2與頂板3之間的接合面，該接合面包括點213和223。另外，標號24代表葉片2與輪箍4之間的接合面，該接合面包括點214和224。
標號25指代一虛擬的曲面，其對應著葉片2的中線，也就是說，曲面25對應于與葉片2的兩側面26和27等距的表面。在圖3的圖面中，曲面25的跡線是與兩側面26和27等距的曲線。
在圖3所在平面內，Δ1代表經過擊流緣21、并將中線25延長的直線。β1代表該直線Δ1與直線D1所成的夾角，其中，直線D1與線速度U平行，并經過擊流緣21。
按照相同的方式，Δ2代表在葉片2逸流緣22所在的高度處、將中線25延長的直線，D2是一條與逸流緣該高度處的線速度U平行的直線。β2代表直線Δ2與D2之間的夾角。
可以理解考慮到葉片2基本上是非平面性的，所以在擊流緣21和逸流緣22的長度范圍內，角度β1和β2是變值。
從圖4可更為具體地看出，對應于點224處的夾角β2的角度值β24在20°到25°之間，事實上，在圖示的實例中，該夾角等于21°。夾角β24是過點224的中線25延長直線Δ224與直線D224之間的夾角，直線D224平行于線速度U的方向，并經過點224。
夾角β14對應于點214高度處的夾角β1，該夾角是在直線D214與直線Δ214之間形成的，其中，D214平行于線速度U的方向，并經過點214，直線Δ214延長了中線25，并經過點214。該夾角β14的數值在70°到120°之間，如圖4所示，該數值優選地是在85°的數量級上。
事實上，每一葉片2都被設計、制造成這樣使得角度β2在逸流緣22整個長度范圍內的最大值小于34°。利用在頂板3與輪箍4之間等距分布的25條流束，還可定義該角度β2的平均值。優選地是，該平均值在20°到30°之間。
由于夾角β2采用了這樣的數值范圍，所以能在不降低轉輪1效率的情況下，使逸流緣22高度上的液流具有較高的流量。
類似地，在相同的條件下，在擊流緣21的整個長度范圍內，角度β1的平均值在70°到120°之間。
參見圖5，在輪箍4的高度上，還可將葉片2的覆蓋角24定義為經過軸線X-X′和點224的平面P224與經過軸線X-X′和點214的平面P214之間的夾角。
按照相同的方式，在頂板3的高度上，葉片2的覆蓋角23被定義為經過軸線X-X′和點223的平面P223與經過軸線X-X′和點213的平面P213之間的夾角。
為了優化水流在通道5中的流動，角度24的數值被選擇為小于25°，而角度23的數值被選擇為小于37°。此外，可通過求出25個的平均值，而確定出葉片2擊流緣和逸流緣之間覆蓋角在葉片前/逸流緣長度范圍內的平均值，其中，角是經過軸線X-X′和逸流緣22上依次等距分布的各個點的平面P22與經過軸線X-X′和擊流緣21上依次等距分布的各個點的平面P21之間的夾角。事實上，該夾角的平均值m被選擇為小于31°。
從圖2可更為具體地看出，輪箍4可被分成三個環圈42、43、44，它們的高度h42、h43、h44是相等的，都等于輪箍4總高度h4的三分之一。對于輪箍3的中間環圈43，可確定出其最小內徑Dmin，事實上，該內徑即為表面41的最小直徑。同樣也能確定出表面41在點224所在高度上的直徑D224。
實際上，Dmin/D224的比值小于0.98，該設計對應著這樣的情況最小直徑比直徑D224至少小2％
權利要求
1.法蘭西斯型轉輪，其包括一頂板、一輪箍、以及一些葉片，所述葉片在所述頂板與所述輪箍之間延伸，所述葉片之間形成液體的流道，其特征在于在所述的一葉片(2)與所述輪箍(4)連接處(224)的附近，所述葉片(2)的行進線速度(U，D224)與所述葉片在其逸流緣(22)處的中線(25，Δ224)之間的夾角(β24)在20°到25°之間。
2.根據權利要求1所述的轉輪，其特征在于在所述葉片(2)逸流緣(22)的整個長度范圍內，所述線速度(U，D2)與所述中線(25，Δ2)之間夾角(β2)的最大值小于34°。
3.根據權利要求1或2所述的轉輪，其特征在于在所述葉片(2)逸流緣(22)的整個長度范圍內，所述線速度(U，D2)與所述中線(25，Δ2)之間夾角(β2)的平均值在20°到30°之間。
4.根據上述權利要求中任一項所述的轉輪，其特征在于在所述葉片(2)擊流緣(21)的整個長度范圍內，所述線速度(U，D1)與所述葉片中線(25，Δ1)之間夾角(β1)的數值在70°到120°之間。
5.根據上述權利要求中任一項所述的轉輪，其特征在于在所述葉片(2)與所述輪箍(4)的連接點(214)附近，所述線速度(U，D214)與所述中線(25，Δ214)之間夾角(β14)的數值在70°到120°之間。
6.根據上述權利要求中任一項所述的轉輪，其特征在于沿與所述轉輪(1)轉動軸線(X-X′)平行的方向進行觀察，所述葉片(2)的擊流緣(21)與逸流緣(22)之間的覆蓋角·在輪箍(4)處，該覆蓋角(24)是小于25°的數值；·在頂板(3)處，該覆蓋角(23)是小于37°的數值；以及·在擊流緣和逸流緣的長度范圍內，該覆蓋角的平均值(m)小于31°。
7.根據上述權利要求中任一項所述的轉輪，其特征在于所述輪箍(4)具有一子午線截面，在其中間三分之一高度(h4)的范圍(43)內，該截面最小直徑(Dmin)相對于所述輪箍的一直徑(D224)至少小2％，其中，所述輪箍的直徑(D224)是指其與所述葉片(2)逸流緣(22)連接點(224)處的直徑。
8.法蘭西斯型水力機械，其裝備有根據上述權利要求中任一項所述的轉輪(1)。
9.根據權利要求8所述的機械，其特征在于其包括一渦輪機，在1米落差和轉輪出口直徑為1米的條件下，該渦輪機適于輸出一個大負荷條件下的當量功率(P11FC，以千瓦為單位)，該當量功率與所述渦輪機在相同條件下的轉速(N11，以rpm為單位)的比值在0.16到0.175之間。
全文摘要
本發明涉及一種法蘭西斯型轉輪，其包括一頂板、一輪箍、以及一些葉片(2)，葉片在頂板與輪箍之間延伸。在葉片(2)與輪箍(4)的連接點(224)附近，葉片(2)線速度(U，D
文檔編號F03B3/12GK1682030SQ03821694
公開日2005年10月12日 申請日期2003年9月12日 優先權日2002年9月13日
發明者F·帕凱, B·米歇爾 申請人:阿爾斯通技術有限公司