專利名稱：水輪機渦輪及配有這種渦輪的皮爾頓式水輪機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種水輪機的渦輪，以及一種配有這種渦輪的皮爾頓式水輪機。
皮爾頓式水輪機通常用于將一種流體、例如瀑布的水的動能轉變成機械能。這種轉變是在由來自圍繞渦輪分布的一個或若干噴射器的水流對布置在一個輪緣周邊的葉片施加的切向作用力的作用下，使水輪機渦輪轉動而進行的。
在每個葉片上形成的作用力通過輪緣上的一個葉片固定區段傳遞給輪緣。所述固定區段由葉片與輪緣的幾何相交加以確定，承受較大的機械應力。實際上，每個葉片可以在機械上模型化為嵌入在一側上的一個梁，以便承受一種由射流作用而造成的較大的彎曲作用力。另外，較大的振動應力施加在葉片上，存在葉片或輪緣發生共振的危險。
在已知的裝置中，尤其是在文獻EP-A-0346681或EP-A-0522336所描述的裝置中，對輪緣上的葉片固定區段進行加強，以克服這些缺陷。這樣，結構復雜，較為昂貴，其安全可靠性降低。另外，每個葉片依然通過一側連接在輪緣上，以致存在的問題的性質并沒有根本改變。
文獻FR-A-704875提出一個水輪機的葉片通過安裝在其周邊的環形件彼此加以支承。作用力的分布不是最佳，臂必須非常小心地安裝在相鄰的葉片之間，這導致作用力的分布不均勻。
為了解決這些問題，本發明提出一種皮爾頓式水輪機的渦輪，其中，葉片連接到輪緣上的方式使機械應力不集中在輪緣上的葉片固定區域，而且由于作用力最佳分布，渦輪發生共振的危險基本得到減小。
為此，本發明涉及一種上述一類的渦輪，這種渦輪具有至少一個環形側板，所述環形側板與輪緣相連接，配有接納葉片的葉片座。所述側板適于吸收至少一部分由葉片傳遞給輪緣的作用力，在葉片座的外部徑向區域處形成一條周邊帶。
根據本發明，側板是整體件，圍繞葉片，可以在一個中間區域和一個外部徑向區域靠近輪緣支承所述葉片，以致每個葉片有效保持在其內部徑向區域、外部徑向區域和中央徑向區域，由于存在水輪機的驅動流體的射流，因此，每個葉片所承受的作用力施加在側板上。這種作用力不是僅僅集中在葉片固定到輪緣上的一個固定區域，而是分布在整個側板上。換句話說，在一個葉片上形成的切向作用力傳遞到側板上。葉片和支承葉片的側板部分可以在機械上模型化為一個支承在兩個支承點上的梁，即一個在其長度上加以支承的梁，第一支承點是輪緣的側面，而第二支承點由側板的周邊帶構成。作用力的這種分布降低施加在機械組件上的應力，這樣，可以配置厚度較薄的構件。
因此，本發明水輪機渦輪可以用金屬、合成材料制成，或者制成一種混合結構。例如，某些構件、例如輪緣或側板用金屬制成，而其它構件、例如葉片用合成材料制成。一個用合成塑料制成的輪緣或側板也可以同金屬葉片相連接。
另外，配置側板的外周邊帶，在渦輪的外部形成材料的連續性，基本可以減小施加在葉片上的振動應力。實際上，周邊帶有助于將應力分布在各個不同的葉片上，因此，每個葉片固有的等效方式不再是如現有技術中的裝置那樣一個梁僅在一端加以嵌裝的方式，而是一個梁在一側加以嵌裝而在另一側加以支承或嵌裝的方式。
最后，出人意料的是，側板的配置基本可以在很大程度上提高本發明渦輪的氣動力特性。實際上，側板可以限制渦輪在轉動過程中的所謂“鼓風機”效應，即由于轉動運動，空氣在渦輪外部和兩個連續的葉片之間的間隙之間的再循環。通過實驗室試驗，空氣相對于葉片的橫向運動的這種減小，已經可以定量為不配置側板的渦輪的由空氣流通而造成的制動力的20％左右。因此，本發明還可以提高皮爾頓式水輪機渦輪的效率。
根據本發明的一個最佳實施例，渦輪包括兩個側板，這兩個側板布置在水輪機的一個或若干噴射器的兩側。當葉片是雙葉片時，如同皮爾頓式水輪機的通常情況那樣，本發明該實施例可以使兩個側板相對于葉片的每個內弧進行布置。在這種情況下，可以使兩個側板基本沿葉片的內弧的中央軸線進行對齊。
根據本發明的另一個最佳實施例，一個或若干側板配有輻射式臂，每個輻射式臂適于完全填滿渦輪兩個相鄰葉片之間的間隙。根據本發明該實施例，輻射式臂的截面足以吸收由葉片傳遞的機械應力。此外，由于輻射式臂基本填滿兩個葉片之間的間隙，因此，可以最大限度地減小“鼓風機”效應。
根據本發明的第一實施方式，一個或若干側板呈穿孔環狀，使所述側板可拆卸地安裝在輪緣上的安裝件配置在所述側板的一個內邊緣附近。
根據本發明的第二實施方式，一個或若干側板與至少一部分輪緣形成整件。根據本發明該實施例，側板朝輪緣的作用力傳遞達到最佳化。另外，水輪機渦輪的安裝很方便。在這種情況下，輪緣可以由兩個半輪緣形成，每個半輪緣通過一個側板朝外徑向延伸。
根據本發明其它最佳實施例，不管采用哪種實施方式，葉片都可拆卸地固定在一個或若干側板和／或輪緣上。本發明該實施例確保渦輪在使用過程中的良好尺寸穩定性，以及作用力從葉片向輪緣的有效傳遞。對葉片或側板的維護保養也很方便。
根據其它實施例，葉片可以永久性地固定在一個或若干側板和／或輪緣上。
本發明還涉及一種皮爾頓式水輪機，這種水輪機包括如前所述的一個渦輪。這種水輪機可以用比以前的水輪機低的成本加以制造，因為考慮到機械應力最佳分布在渦輪上，所以可以使構件的尺寸最佳化。另外，這種水輪機的效率由于鼓風機效應的減小而得到提高。
通過下面參照附圖對本發明水輪機渦輪的兩個非限定實施例的描述，本發明的其它優越性將得到更好地理解。
附圖如下
圖1是本發明一個皮爾頓式水輪機渦輪的局部立體圖2是沿圖1中Ⅱ-Ⅱ線的剖視圖；圖3是沿圖2中Ⅲ-Ⅲ線的剖視圖；圖4類似于圖2，示出本發明另一個實施例中的一個水輪機渦輪。
圖1所示的水輪機渦輪包括一個輪緣1和一些葉片2，在所示的實施例中，葉片數目為18個，分布在輪緣1的周邊。每個葉片包括兩個內弧3，這兩個內弧由一個中央棱4加以分隔，所述中央棱用于同一個或若干未示出的水或蒸汽噴射器相對地進行布置。輪緣1安裝在一個未示出的傳遞運動的軸上。
為簡明起見，圖1僅示出一個葉片。
根據本發明，兩個環形側板5和6安裝在輪緣1上，有助于相對于輪緣對葉片2加以保持。側板5和6分別配有葉片座7和8，葉片2的內弧3可以嵌入到葉片座中。葉片座7和8可以在側板5和6中機械加工或模制而成。每個側板5和6徑向超出到葉片2外部，以便兩個連續的材料帶9和10分別限定在兩個側板5和6的外周邊區域。材料帶9和10連接分別屬于側板5和6的臂11和12。側板5的每個葉片座7由屬于側板5的兩個相鄰的輻射式臂11和材料帶9加以限定，而側板6的每個葉片座8由屬于側板6的兩個相鄰的輻射式臂12和材料帶10加以限定。
因此，每個葉片2同時由輪緣1和兩個側板5和6加以支承，每個側板形成一個圍繞輪緣1的整件環形外緣，以便如圖3所示，由水或蒸汽的射流傳遞到一個葉片2上的推力F分布成沿側板5或6的輻射式臂11或12的作用力F’，由此傳遞到輪緣1上。這些作用力中的一部分還可以如同已知的裝置那樣經由葉片固定區域傳遞到輪緣上。由于這種分布，輪緣1上的葉片2的固定區域不是機械應力的一個臨界區域。
葉片和側板安裝在輪緣1上情況尤其示于圖2和3。要注意的是一個葉片2的中央棱4的軸線XX’。葉片2包括兩個支片15和16，用于布置在輪緣1的一個外徑向部分17的兩側。構件15至17分別配有一個用于接納一個鎖緊螺釘18的中央孔15a、16a或17a。側板5和6布置在輪緣1以及支片15和16的兩側，在其內邊緣5a和6a附近具有孔5b和6b，這些孔與孔15a、16a和17a對齊，以便螺釘18連續穿過側板5、支片15、徑向部分17、支片16和側板6。因此，側板5和6以及葉片2以可拆卸的方式安裝在輪緣1上。
傳遞到各個不同葉片2上的水或蒸汽射流的作用力F不僅僅由每個葉片2的支片15和16進行傳遞，而且由于側板5和6尤其是材料帶9和10的緣故，分布在輪緣1的周邊上。
尤其如圖3所示，為了提高安裝的堅固程度，可以確定成相對于保留在相鄰兩個區域17之間的間隙19中的輪緣1的標稱寬度，輪緣1的區域17切削掉多余的材料。
輻射式臂11和12的幾何形狀適于葉片的外部形狀，以便通過形狀的配合使葉片固定在葉片座7和8內，其優越性是輻射式臂11和12基本填滿渦輪的相鄰兩個葉片之間的間隙，以致兩個側板5和6之間的內部容積20的氣動力分離情況相對于側板的外部達到最佳化。換句話說，空氣穿過內部容積20的橫向流通得到限制。
要注意的是，側板5和6在葉片2的內弧3的中央軸線AA’和BB’上完全對齊。因此，側板5和6的臂11和12與內弧3的底部相隔一段距離d1，與內弧3的邊緣相隔一段距離d2，足以不干擾水或蒸汽朝容積20的外部流動。距離d2基本小于距離d1，這相當于輻射式臂11和12完全填滿相鄰兩個葉片之間的間隙。
如圖3所示，每個葉片2還借助于一個鎖緊螺釘21同側板6相連接，螺釘擰入側板6的一個孔22中，適于擰到葉片2的一個后部凸起23中。一個相同的結構配置在側板5處。螺釘21使葉片2相對于側板5的固定程度得以提高。
在圖4所示的第二實施方式中，與圖1至3所示實施例中的構件相類似的構件，用相同的標號加50予以標示。在該實施例中，輪緣51由兩個半輪緣51a和51b形成，這兩個半輪緣用于例如通過螺釘51c彼此組裝在一起。
半輪緣51a通過一個整件外緣55朝外徑向延伸，外緣形成一個環形側板，其作用與前述實施例中的側板5的作用相同。外緣或側板55在一個葉片52的外部徑向延伸，葉片配有兩個內弧53，這兩個內弧由一個中央棱54加以分隔。同樣，半輪緣51b通過一個用于支承葉片52的環形外緣或側板56進行延伸。外緣55和56配有接納葉片52的葉片座57、58，而分別屬于側板55和56的連續材料帶59和60使葉片座57和58限定在其外部徑向部分。
因為構件51a和55以及51b和56形成整件，所以側板55和56以及輪緣51之間作用力的傳遞達到最佳化。
第二實施例中皮爾頓式水輪機渦輪的安裝方法是，使半輪緣51a和51b彼此靠近，而葉片52徑向分布在接近其最終位置的一個位置上，這樣可以使每個葉片52的一個尾部或舌片52a夾緊在半輪緣51a和51b之間，從而提高葉片52相對于輪緣51的固定程度。螺釘51c最好穿過每個葉片52的尾部52a。
根據本發明未示出的其它實施例，可以使輪緣51以及側板55和56形成一個整件。換句話說，半輪緣51a和51b通過模制和／或機械加工連接為一個單個構件。
使用第二實施例中的裝置，也可以獲得圖1至3示出的實施例中的水輪機空氣流通的改進效果。
鑒于本發明水輪機渦輪的葉片和輪緣所承受的應力不太大，可以使用迄今尚未用于這種裝置的材料來制造所述構件和側板。特別是，可以使用合成樹脂，或者是添加加強纖維的合成樹脂，某些構件仍可以使用金屬。
葉片的制造可以同輪緣和側板無關，可以在安裝之前在葉片上覆蓋一種抗磨損或防腐蝕材料。尤其是可以采用本申請人在文獻EP-A-0543753中提出的方法。
一個本發明水輪機的渦輪由一個輪緣、一個或兩個側板以及葉片或具有加強件的葉片組裝而成。可以通過所述的方法以及附圖中所示的方法，或者通過其它適當的方法，例如形狀的配合、夾緊、箍緊、焊接、釬焊、膠接等方法，將所述各個不同的組件裝配起來。
本發明的葉片是附加在輪緣和側板上，并且以可拆卸的方式加以安裝。也可以使葉片永久性地安裝在輪緣和／或側板上，尤其是通過焊接、釬焊或者膠接而成。同樣，可以制造一種模制而成的整件渦輪，這種渦輪具有一個輪緣、一個或兩個側板以及一些葉片。
權利要求
1．一種皮爾頓式水輪機的渦輪，它包括一個輪緣(1；51)和多個葉片(2；52)，這些葉片分布在所述輪緣的周邊上，其特征在于，它具有至少一個呈環狀或外緣形狀的環形側板(5，6；55，56)，所述環形側板與所述輪緣相連接，并且配有接納所述葉片的葉片座(7，8；57，58)，所述側板適于吸收由所述葉片傳遞到所述輪緣的作用力(F)中的至少一部分作用力(F’)，并且在所述葉片座的外部徑向區域處形成一條周邊帶(9，10；59，60)。
2．根據權利要求1所述的水輪機渦輪，其特征在于，它包括兩個側板(5，6；55，56)，布置在所述水輪機的一個或若干噴射器的兩側。
3．根據權利要求2所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述側板(5，6；55，56)基本在所述葉片(2；52)的內弧(3)的中央軸線(AA，BB’)上對齊。
4．根據前述權利要求之一所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述側板(5，6；55，56)配有輻射式臂(11，12)，每個輻射式臂適于完全填滿所述渦輪的兩個相鄰葉片(2；52)之間的間隙。
5．根據前述權利要求之一所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述側板(5，6)呈穿孔環狀，使所述側板可拆卸地安裝在所述輪緣(1)上的安裝件(5b，6b，17a，18)配置在所述側板的一個內邊緣(5a，6a)的附近。
6．根據權利要求1至4之一所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述側板(55，56)與所述輪緣(51)的一部分(51a，51b)形成一個整體。
7．根據權利要求6所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述輪緣(51)由兩個半輪緣(51a，51b)形成，這兩個半輪緣用于裝配成所述輪緣，每個半輪緣通過一個側板(55，56)徑向朝外延伸。
8．根據前述權利要求之一所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述葉片(2；52)以可拆卸的方式固定在所述側板(5，6；55，56)和／或所述輪緣(1；51)上。
9．根據前述權利要求之一所述的水輪機渦輪，其特征在于，所述葉片永久性地固定在所述側板和／或所述輪緣上。
10．皮爾頓式水輪機，它包括一個前述權利要求之一所述的渦輪。
全文摘要
本發明涉及一種皮爾頓水輪機的渦輪,它包括一個輪緣(1)和一些葉片(2),葉片分布在輪緣的周邊上,其特征在于,它具有至少一個環形側板(5,6),與所述輪緣相連接,并且配有接納葉片的葉片座(7)。所述側板適于吸收至少一部分由葉片(2)傳遞到輪緣(1)的作用力,并且在葉片座(7)的外部徑向區域處形成一條周邊帶(9)。作用力從葉片(2)傳遞到渦輪的輪緣(1),不會形成很大的機械應力的集中區域。
文檔編號F03B1/00GK1293736SQ9980401
公開日2001年5月2日 申請日期1999年3月22日 優先權日1998年3月23日
發明者喬治·羅西, 路易·菲內, 讓·M·羅曼 申請人:阿爾斯托姆流體動力公司