專利名稱：用于水力發電設備的渦輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于產生電能的水力發電設備的渦輪機以及一 種具有相應渦輪機的水力發電設備。
背景技術：
已知具有渦輪機的水電站或水力發電設備，渦輪機基本上劃分為 三級。第一級一般情況下是支撐裝置，利用支撐裝置渦輪機保持在通 道內的位置上。此外設有導向裝置，其通常設置在轉子前面。最后轉 子本身連同葉片設置在導向裝置后面。因此這種渦輪機的流動在這三 級或位置上受到影響。Jtirgen Giesecke和Emil Mosonyi發表在2003年Springer出版 社第3期"水力發電設備(Wasserkraftanlagen)"上的文章中介紹了 多種水力發電設備。文中例如介紹了一種卡普蘭貫流式渦輪機。這種 渦輪機具有一個進水道、渦輪和一個抽水軟管，它們盡可能處于一條 線上并且是水平或者相對于水平線略微傾斜。這樣做的優點是，避免 流動方向的多重變化并提高能量輸出。渦輪機具有支撐葉片、導向葉 片以及設置在其后面帶有相應葉片的轉子。此外已知直流式渦輪機單元，其中發電機同中心地i史置在流動管 的外面，從而發電機不處于外殼容器的內部。轉子由輪轂、轉子葉片 以及轉子輪緣組成，它們典型地作為焊接結構加工成一個單元。支撐 十字架在流動方向上設置在導向葉片以及帶有轉子葉片的轉子的前 面。通過調整葉片使得它們彼此緊貼并因此封閉通道的方式，設置在 轉子前面的導向裝置通過導向葉片或支撐葉片的轉動用于切斷渦輪 機。在這里還指出下列文獻作為現有技術DE34 29 288A1、 DE 884 930 C、 EP0 622 543A1、 CH 332 959和US 2005/0001432 Al。發明內容因此本發明的目的在于，提供一種渦輪機以及一種具有相應渦輪 機的水力發電設備，其具有簡單的結構以及更高的效率。該目的通過權利要求1所述的渦輪機以及通過權利要求6所述的水 力發電i殳備得以實現。因此提出一種用于水力發電設備的渦輪機。該渦輪機具有帶有多 個葉片的轉子，其中，轉子(沿流動方向)設置在導向裝置的前面。 轉子葉片的節距角設計為可調整的。通過轉子(沿流動方向)設置在導向裝置的前面，水流首先撞擊 轉子并此后才撞擊導向裝置，從而產生轉子的最佳流動條件。通過不設置單獨的支撐裝置，完全消除繞支撐裝置的流動損失， 從而與現有技術相比獲得更高的效率。依據本發明的一個方面，轉子具有用于連接葉片與轉子的球形輪 轂。輪轂的球形設計可以使渦輪葉片的節距角在大范圍內進行調整。依據本發明的另一方面，渦輪葉片形狀配合地緊貼在球形輪轂 上，從而可以避免不利的流動條件，因為渦輪葉片連接在輪轂上。依據本發明的另一方面，渦輪葉片的節距角可以在-20。至140。 的角度范圍內進行調整，從而在相應選取渦輪葉片節距角的情況下可 以制動或加速轉子。本發明的其他方面為從屬權利要求的主題。
下面借助于附圖對本發明進行詳細說明。其中 圖la示出依據第一實施例渦輪機的示意圖； 圖lb示出依據第一實施例渦輪機的另一示意圖；圖lc示出依據第一實施例渦輪機的正視圖；圖2a示出依據第二實施例渦輪機的示意圖；圖2b示出依據第二實施例渦輪機的另一示意圖；圖2c示出依據第二實施例渦輪機的正視圖；圖3a示出依據第三實施例渦輪機的示意圖；圖3b示出依據第三實施例渦輪機的另一示意圖；以及圖3c示出依據第三實施例渦輪機的正視圖。
具體實施方式
圖la示出依據第一實施例渦輪機的示意圖。圖lb示出圖la渦 輪機的另一示意圖。圖lc示出圖la和lb渦輪機的正視圖。渦輪機 具有帶有渦輪葉片1的轉子4，渦輪葉片與基本上球形結構的輪轂3 連接。帶有渦輪葉片1的轉子4在流動方向上處于導向裝置6的前面。 因此，該渦輪機是一種上游轉子型渦輪機。換句話說，導向裝置6 處于轉子4的后面并同時支撐通道內的轉子，從而可以省去附加的支 撐裝置。導向裝置6因此同樣具有安裝結構。因此水流在撞擊導向裝置6之前首先不受干擾地撞擊轉子4,從 而水流可以釋放出最大能量。在這種情況下導向裝置6通過減少旋渦 損耗而設計成保證水的最佳流出，從而防止效率積蓄和隨之產生的崩 潰。導向裝置具有支撐葉片5。在第一實施例中設有七個支撐葉片5。 支撐葉片5優選地設計成不可調整的。轉子4的葉片1可以在-20°至140。，優選-10°至120。的范圍內 調整，從而可以進行渦輪葉片l的節距調整。因此轉子的葉片可以調 整到任意位置，而渦輪葉片l與輪轂之間不形成間隙，因為渦輪葉片 1由于輪轂的球體形狀而形狀配合地緊貼在輪轂上。通過將葉片1調整90°,葉片轉動到所謂的"順槳位置"，也就是 說，水從葉片旁流過并經過導向裝置6，而不使轉子4運動。由此水 也可以在渦輪機不工作的情況下通過渦輪通道流出，而且為了制動轉子和需要時停住轉子時不必關閉通道。由于轉子4葉片的調整以及由于通過將葉片轉動到順槳位置轉子 4能夠停轉，所以不需要支撐葉片的可調整性。圖2a至2c示出依據第二實施例的渦輪機。在這種情況下，第二 實施例的渦輪機結構基本上與第一實施例的渦輪機結構相應。如在第 一實施例中那樣，導向裝置中設有七個支撐葉片5。但與第一實施例 的不同之處在于轉子上設有四個葉片。圖3a至3c分別示出依據第三實施例的渦輪機。第三實施例的渦 輪機結構基本上與第一和第二實施例的渦輪機結構相應。與第一和第 二實施例不同的是在導向裝置中設有五個支撐葉片5。在上述的三種所示的實施方式中，轉子4的葉片l設計成可調整 的，從而渦輪機通過調整葉片可以關閉。因此無需導向裝置葉片的可 調整性以中斷通道內的水流。在上述的三種所示的實施方式中，轉子與軸10連接，該軸可以 再耦聯在發電機上，以便將軸10的旋轉運動轉換成電能。因此依據本發明的渦輪機是一種上游轉子型渦輪機，也就是說， 導向裝置處于轉子4的后面。導向裝置既是渦輪機的支撐裝置也是渦 輪機的安裝裝置。轉子4的葉片l設計成可以-20°至140。的角度調 整。轉子4的輪轂3基本上構成為球形，使得轉子4的葉片l可以任 意角度調整，而不存在間隙。水流因此在導入導向裝置6內之前首先 撞擊轉子4，從而形成轉子4的最佳流動條件。依據本發明的渦輪機 因此僅具有兩級，也就是轉子以及導向裝置。用于水力發電設備的上述渦輪機優選地以無傳動機構的方式(通 過軸10)與用于產生電流的發電機耦聯，也就是說，設有由渦輪機 和發電機組成的無傳動機構的系統。與渦輪機耦聯的發電機優選地設計為轉速可變的。為此，該系統 或水力發電設備除了發電機外優選地具有整流器和變頻器，其然后可 以再連接在電網上。通過提供整流器和變頻器，發電機也可以在不同 的轉速下運行，因為借助于整流器和變頻器由發電機產生的電壓或功 率可以轉換到所需的電網頻率上。發電機轉速可變的設計可以取得更高的能量輸出，因為即使在發 電機的轉速不足以提供電網所需的頻率的情況下，仍可以將發電機產 生的功率輸出到電網。如果依據本發明的渦輪機與發電機耦聯并應用在水力發電站上， 那么可以在上水(水的攔蓄部分)與下水(水壩下面通過漲落行程排 放部分)之間產生不同的落差。但由水力發電站產生的功率直接取決 于上下水之間的高度差。如果現在使用帶有轉速固定發電機的渦輪 機，那么這種發電機只能在水的下落高度(上下水之間的高度差)允 許發電機的所需轉速情況下使用。依據本發明帶有后置變頻器的轉速可變的發電機在轉速低于所需 轉速時、也就是在不同功率情況下也能運行。因此依據本發明的渦輪機 在渦輪機的轉速降到其他方面要求的轉速之下的情況下也能工作。
權利要求
1.一種用于產生電能的水力發電設備的渦輪機，包括轉子(4)和多個渦輪葉片(1)，和設置在轉子后面的導向裝置(6)，其中，所述轉子(4)的葉片(1)的節距角設計為可調整的。
2.如權利要求l所述的渦輪機，其中，所述轉子(4)具有用于 連接所述葉片(1)與所述轉子(4)的球形輪轂(3)。
3.如權利要求1或2所述的渦輪機，其中，所述葉片(l)形狀 配合地與輪轂(3)連接。
4. 如前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述導向裝 置(6)設置為用于支撐和安裝渦輪機。
5. 如前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述渦輪葉 片(1)的節距角設計為在-20。至140。的范圍是可調整的。
6. —種具有至少一個如權利要求1至5中任一項所述的渦輪機 的水力發電設備。
7. 如權利要求6所述的水力發電設備，還具有用于產生電能的 發電機，其中，所述發電機以無傳動機構的方式與渦輪機耦聯。
8. 如權利要求7所述的水力發電設備，其中，所述發電機設計 為轉速可變。9.如權利要求7或8所述的水力發電設備，還具有用于將發電 機輸出電壓整流的整流器和變頻器，所述變頻器一方面與所述整流器 耦聯并另一方面與電網耦聯，其中，所述變頻器用于以電網所需的頻 率向電網輸出電力。
全文摘要
本發明涉及一種用于水力發電設備的渦輪機。渦輪機具有帶有多個葉片的轉子，其中所述轉子(沿流動方向)設置在導向裝置的前面。轉子葉片的節距角設計為可調整的。通過將所述轉子(沿流動方向)設置在所述導向裝置的前面，水流首先撞擊轉子并此后才撞擊導向裝置，從而產生轉子的最佳流動條件。
文檔編號F03B13/10GK101218429SQ200680024569
公開日2008年7月9日 申請日期2006年7月10日 優先權日2005年7月8日
發明者羅爾夫·羅登, 迪爾克·霍爾特坎普 申請人:艾勞埃斯·烏本