用于法氏涡轮机转轮的紧凑叶片以及配置转轮的方法

摘要

一种用于具有一喉部直径（Dth）的法氏涡轮机转轮的叶片，该叶片包括：不小于0.03Dth的最大厚度以及具有不小于45度的最大倾斜角的前缘，其中，所述倾斜角是由一垂直线和前缘限定。

说明书

背景技术

本发明涉及一种用于法氏水轮机的叶片形状，而且特别涉及叶片的入 口角和厚度。

法氏涡轮机是一种常用的水轮机。法氏涡轮机适合在例如十（10）米 至六百五十（650）米的压头的情况下运转。这些涡轮机通常被用来驱动发 电机以产生电力，如在10至750兆瓦特的范围内。法氏涡轮机的例子展示 在美国专利第7,198,470号、第7,195,460号、第7,195,459号、第 7,128,534号以及第6,135,716号中。法氏涡轮机的参考直径，例如，转 轮直径，可以是1至10米。涡轮机可以以每分钟80至1000转（rpm）的 旋转速度运转。大型和中型法氏涡轮机倾向于绕一垂直轴旋转，而较小的 涡轮机绕水平轴旋转。传统法氏涡轮机的这种一般描述是为了提供叶片形 状公开的背景，而不是限制本发明的范围。

转轮是法氏涡轮机的包括涡轮机叶片的部分。当修复法氏涡轮机时， 可以安装新的转轮。新转轮的尺寸受到用于现有转轮的腔室的尺寸限制。 新的转轮被设计用来装配到壳体内。由于现有壳体的限制，新转轮的设计 可能不是最佳的，以提供最大的峰值效率和对于涡轮机的气穴行为。通常， 转轮被限制为比将是最佳的更紧凑，例如，具有更小的转轮入口直径。因 为转轮紧凑，关于涡轮机的效率和其性能例如关于气穴的问题出现。在转 轮被用在在例如大于100米的大压头下运转的法氏涡轮机中的情形下，这 些问题往往是特别关注的问题。

对于给定的压力头、叶片的数量和相对于分配器中心线的固定的叶片 出口高度，紧凑的入口直径将增加球形叶片载荷。叶片入口可以因此达到 临界低压水平，导致压力或吸入侧气穴，取决于操作头。

发明内容

已经构思了一种新颖的法氏涡轮机，特别是已经构思了用于法氏涡轮 机转轮的新颖的叶片形状。新颖的叶片是合适于例如可以用来替换现有转 轮的紧凑转轮。紧凑转轮可以被设计用来安装在现有的壳体中并且因此被 限制为具有紧凑的叶片。

紧凑的叶片可以具有独特的入口形状，其在气穴问题和涡轮机效率方 面具有改善的性能。例如，叶片入口的倾斜可以是显著的，例如，大于45 度。叶片可以具有相对于分配器中心线的固定叶片出口高度和给定的入口 直径。显著的倾斜角有助于控制吸入侧气穴，特别是在用于涡轮机的最大 速率头处。叶片入口的显著倾斜可以是从护罩到中部叶片，相对于毂。入 口叶片的显著倾斜趋向于抑制气穴，否则气穴可能损坏叶片的入口区域的 表面。

叶片可以是相对薄的，相对于法氏涡轮机中的转轮的传统叶片。叶片 可以在叶片的入口区域是相对薄的。叶片可以沿着入口到转轮的进入高度 是相对薄的。

具有不小于0.03Dth的最大厚度和不小于45度的最大倾斜角的用于法 氏涡轮机转轮的叶片已经被构思并且允许叶片和转轮紧凑。紧凑的转轮可 以用来通过用具有高性能叶片的转轮替换过时的转轮来修复现有的法氏涡 轮机组件，所述高性能叶片高效地将水能转换成机械动力并且抑制叶片表 面上的气穴。

已经构思了一种用于具有一喉部直径（Dth）的法氏涡轮机转轮的叶片， 该叶片包括：不小于0.03Dth的最大厚度以及具有不小于45度的最大倾斜 角的前缘，其中，所述倾斜角是由一垂直线和前缘限定。同用于法氏涡轮 机转轮的标准尺寸的叶片相比，所述叶片可以相对短的。叶片的前缘可以 平行于一垂直轴线并且转轮绕所述垂直轴线旋转。叶片的后缘可以面向大 体向下的方向。

叶片可以布置在安装在转轮中的叶片的环形阵列中，其中，每个叶片 的上边缘固定到转轮的毂或冠的倒圆锥形部分。每个叶片可以具有固定到 转轮带的下侧边缘。

已经构思了一种替换法氏涡轮机中的转轮的方法，该方法包括：从用 于法氏涡轮机的腔室移除现有的转轮，以及将另一个转轮安装到腔室内， 其中，该转轮具有一喉部直径（Dth）和叶片的阵列，其中，每个叶片包括 不小于0.03Dth的最大厚度和具有不小于45度的最大倾斜角的前缘，其中， 所述倾斜角是由一垂直线和前缘限定。所述方法可以避免扩大所述腔室的 内部直径并且避免实质上改变腔室来安装另一个转轮。

附图说明

图1是示出了法氏水轮机组件的侧视图的示意图。

图2和3是用于法氏涡轮机的传统转轮的的透视图。

图4是用于法氏涡轮机的转轮的叶片的透视图。

图5是比较传统叶片和紧凑叶片的叶片轮廓的图表。

图6示出了紧凑叶片的典型的横截面。

具体实施方式

图1是传统的法氏水轮机组件10的侧视图。该组件可以安装在水坝 12内，例如在水坝后面的水源的表面下面10至650米。一环形的壳体13 形成在水坝的壁内。所述壳体可以包括水坝内的腔室和安装支架，以接纳 和支撑涡轮机组件。

水通道延伸通过水坝到围绕涡轮机组件的螺旋水通道14。来自于螺旋 水通道的水径向向内地流入环形分配器16并且随后流入转轮18。转轮包 括叶片20的阵列。随着流过叶片的水驱动和旋转转轮。转轮驱动被耦合到 电力发电机24的垂直轴22。离开转轮的水可以向下流动通过出口通道26， 该出口通道从涡轮机组件的下面和水坝的下游排放水。

分配器16可以包括导向叶片的一个或多个环形阵列。至少一个环形阵 列可以是可调节的导向叶片，其中导向叶片相对于水流的角度可以改变。 典型地，可调节的导向叶片将是最里面的阵列并且位于转轮的立即上游。

在垂直定向的法氏水轮机中可以具有与轴26对齐的垂直中心线（涡轮 机中心线），以及与分配器对齐的水平中心线（分配器中心线）。如果法氏 水轮机可以水平定向，与轴对齐的中心线将是水平的且与分配器对齐的中 心线可以是垂直的。

图2和图3图解了传统的转轮28和30，它们也显示在美国专利 6,135,716中。图2中所示的转轮28包括毂或冠32，其可以是圆形的横截 面并具有面对涡轮机叶片34的上边缘的倒圆锥形表面。圆锥形表面形成用 于涡轮机叶片34的上支撑表面。叶片34的前缘35可以与转轮的径向外周 边对齐并且每个叶片可以大体上与涡轮机的轴中心线平行。叶片34的前缘 35可以被定向成相对于转轮的旋转方向（R）和相对于水平面具有入口角 36。转轮的下部可以由环绕着叶片的出口边缘40的周边延伸的环38限定。

转轮的截头圆锥形部分42可以包括围绕叶片的外部边缘的一部分的 带（见图1）。截头圆锥形部分可以位于环38与叶片的前缘35的下角之间。

图3中所示的转轮30也具有支撑叶片44的环形阵列的毂或冠42。图 3中所示的转轮不同于图2中所示的转轮28并且从比图2中所示的更自下 而上的视点示出。

转轮30的叶片44的前缘46可以具有入口角48，其与转轮28的角 36在相反的方向上。叶片的后缘50可以具有从径向向外的末端52并且在 径向向内和向上的方向上延伸到叶片的径向向内的周界54的弯曲。

法氏涡轮机的转轮可以设计用来坐落在发电所中的现有的环形壳体 中。由壳体所提供的用于转轮的腔室可以更小，例如，更小的直径，相较 于对于具有高效率叶片的现代转轮可能是必要的。扩大腔室以容纳更大的 例如更宽直径的转轮可能是不实际的。

图4是用于相对小的转轮的紧凑叶片6的透视图。该紧凑叶片适合于 设计用来坐落在发电所中相对小的腔室中的紧凑转轮。紧凑叶片60具有前 缘62和后缘64。叶片的上边缘66可以结合转轮的冠或毂的下表面。叶片 的侧边缘68可以结合转轮带的截头圆锥形内表面。叶片60的环形阵列布 置在转轮中使得毂或冠被作为叶片的上端部，带绕着叶片的下侧区域延伸 并且转轮的下部环可以由每个叶片的下角70限定。

前缘62可以被定向成大体上平行于转轮的轴的轴线。前缘可以具有相 对于垂直方向的一般大的弯曲，如图4中所示。前缘可以形成倾斜角（θ） 72，其是相对大的，如等于或大于45度（45°）。如图4中所示，倾斜角 72在前缘62的下边缘74。在前缘62的上边缘76，倾斜角可以是相对小 的，例如低于10度或零度。叶片的极端倾斜允许叶片紧凑，例如，并且比 没有极端倾斜时所将产生的长度短。

图5是比较紧凑叶片的前缘80和非紧凑叶片的前缘82的图表。非紧 凑叶片的前缘82径向向外延伸比紧凑叶片的前缘80远。因此，具有紧凑 叶片的转轮的直径（D1）比直径（D2）窄小。至于它们的后缘84、结合到 冠或毂的倒圆锥形表面88的上边缘86、以及结合到转轮带的内表面92的 侧边缘90，两个叶片具有相似的轮廓。喉部直径（Dth）可以是带的内表 面92的直径并且典型地限定通过转轮的最窄的水通道。图5还图解了叶片 相对于水平的分配器中心线（分配器中心线）和转轮的旋转轴的垂直中心 线（涡轮机中心线）的定向。

图6是在横截面中示出的紧凑叶片96的示意图。叶片可以具有与图4 所示的叶片相同的形状和尺寸。靠近前缘98的叶片厚度（t）是相对小的， 同用于法氏涡轮机转轮的传统叶片相比。厚度（t）是叶片的最厚的部分。 叶片的厚度可以等于或小于喉部直径的百分之三（3％）（0.03Dth）。

具有不小于0.03Dth的最大厚度和不小于45度的最大倾斜角的用于法 氏涡轮机转轮的叶片允许叶片和转轮紧凑。紧凑的转轮可以用来通过用具 有高性能叶片的转轮替换过时的转轮来修复现有的法氏涡轮机组件，所述 高性能叶片高效地将水能转换成机械动力并且抑制叶片表面上的气穴。

已经构思了一种替换法氏涡轮机中的转轮的方法，其包括：从用于法 氏涡轮机的腔室移除现有的转轮，以及将另一个转轮安装到腔室内，其中 该转轮具有一喉部直径（Dth）和叶片的阵列，其中每个叶片包括不小于 0.03Dth的最大厚度和具有不小于45度的最大倾斜角的前缘，其中所述倾 斜角是由一垂直线和前缘限定。在没有扩大腔室的内部直径并且没有实质 上改变腔室以容纳所述另一个转轮的情形下所述方法可以被执行。

虽然已经结合目前被认为是最实用和优选的实施例描述了本发明，但 应该理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明旨在涵盖包 含在所附权利要求书的精神和范围内的各种修改和等同布置。