水轮机涡轮及配有这种涡轮的皮尔顿式水轮机

摘要

本发明涉及一种皮尔顿水轮机的涡轮,它包括一个轮缘(1)和一些叶片(2),叶片分布在轮缘的周边上,其特征在于,它具有至少一个环形侧板(5,6),与所述轮缘相连接,并且配有接纳叶片的叶片座(7)。所述侧板适于吸收至少一部分由叶片(2)传递到轮缘(1)的作用力,并且在叶片座(7)的外部径向区域处形成一条周边带(9)。作用力从叶片(2)传递到涡轮的轮缘(1),不会形成很大的机械应力的集中区域。

说明书

本发明涉及一种水轮机的涡轮，以及一种配有这种涡轮的皮尔顿式水轮机。

皮尔顿式水轮机通常用于将一种流体、例如瀑布的水的动能转变成机械能。这种转变是在由来自围绕涡轮分布的一个或若干喷射器的水流对布置在一个轮缘周边的叶片施加的切向作用力的作用下，使水轮机涡轮转动而进行的。

在每个叶片上形成的作用力通过轮缘上的一个叶片固定区段传递给轮缘。所述固定区段由叶片与轮缘的几何相交加以确定，承受较大的机械应力。实际上，每个叶片可以在机械上模型化为嵌入在一侧上的一个梁，以便承受一种由射流作用而造成的较大的弯曲作用力。另外，较大的振动应力施加在叶片上，存在叶片或轮缘发生共振的危险。

在已知的装置中，尤其是在文献EP-A-0346681或EP-A-0522336所描述的装置中，对轮缘上的叶片固定区段进行加强，以克服这些缺陷。这样，结构复杂，较为昂贵，其安全可靠性降低。另外，每个叶片依然通过一侧连接在轮缘上，以致存在的问题的性质并没有根本改变。

文献FR-A-704875提出一个水轮机的叶片通过安装在其周边的环形件彼此加以支承。作用力的分布不是最佳，臂必须非常小心地安装在相邻的叶片之间，这导致作用力的分布不均匀。

为了解决这些问题，本发明提出一种皮尔顿式水轮机的涡轮，其中，叶片连接到轮缘上的方式使机械应力不集中在轮缘上的叶片固定区域，而且由于作用力最佳分布，涡轮发生共振的危险基本得到减小。

为此，本发明涉及一种上述一类的涡轮，这种涡轮具有至少一个环形侧板，所述环形侧板与轮缘相连接，配有接纳叶片的叶片座。所述侧板适于吸收至少一部分由叶片传递给轮缘的作用力，在叶片座的外部径向区域处形成一条周边带。

根据本发明，侧板是整体件，围绕叶片，可以在一个中间区域和一个外部径向区域靠近轮缘支承所述叶片，以致每个叶片有效保持在其内部径向区域、外部径向区域和中央径向区域，由于存在水轮机的驱动流体的射流，因此，每个叶片所承受的作用力施加在侧板上。这种作用力不是仅仅集中在叶片固定到轮缘上的一个固定区域，而是分布在整个侧板上。换句话说，在一个叶片上形成的切向作用力传递到侧板上。叶片和支承叶片的侧板部分可以在机械上模型化为一个支承在两个支承点上的梁，即一个在其长度上加以支承的梁，第一支承点是轮缘的侧面，而第二支承点由侧板的周边带构成。作用力的这种分布降低施加在机械组件上的应力，这样，可以配置厚度较薄的构件。

因此，本发明水轮机涡轮可以用金属、合成材料制成，或者制成一种混合结构。例如，某些构件、例如轮缘或侧板用金属制成，而其它构件、例如叶片用合成材料制成。一个用合成塑料制成的轮缘或侧板也可以同金属叶片相连接。

另外，配置侧板的外周边带，在涡轮的外部形成材料的连续性，基本可以减小施加在叶片上的振动应力。实际上，周边带有助于将应力分布在各个不同的叶片上，因此，每个叶片固有的等效方式不再是如现有技术中的装置那样一个梁仅在一端加以嵌装的方式，而是一个梁在一侧加以嵌装而在另一侧加以支承或嵌装的方式。

最后，出人意料的是，侧板的配置基本可以在很大程度上提高本发明涡轮的气动力特性。实际上，侧板可以限制涡轮在转动过程中的所谓“鼓风机”效应，即由于转动运动，空气在涡轮外部和两个连续的叶片之间的间隙之间的再循环。通过实验室试验，空气相对于叶片的横向运动的这种减小，已经可以定量为不配置侧板的涡轮的由空气流通而造成的制动力的20％左右。因此，本发明还可以提高皮尔顿式水轮机涡轮的效率。

根据本发明的一个最佳实施例，涡轮包括两个侧板，这两个侧板布置在水轮机的一个或若干喷射器的两侧。当叶片是双叶片时，如同皮尔顿式水轮机的通常情况那样，本发明该实施例可以使两个侧板相对于叶片的每个内弧进行布置。在这种情况下，可以使两个侧板基本沿叶片的内弧的中央轴线进行对齐。

根据本发明的另一个最佳实施例，一个或若干侧板配有辐射式臂，每个辐射式臂适于完全填满涡轮两个相邻叶片之间的间隙。根据本发明该实施例，辐射式臂的截面足以吸收由叶片传递的机械应力。此外，由于辐射式臂基本填满两个叶片之间的间隙，因此，可以最大限度地减小“鼓风机”效应。

根据本发明的第一实施方式，一个或若干侧板呈穿孔环状，使所述侧板可拆卸地安装在轮缘上的安装件配置在所述侧板的一个内边缘附近。

根据本发明的第二实施方式，一个或若干侧板与至少一部分轮缘形成整件。根据本发明该实施例，侧板朝轮缘的作用力传递达到最佳化。另外，水轮机涡轮的安装很方便。在这种情况下，轮缘可以由两个半轮缘形成，每个半轮缘通过一个侧板朝外径向延伸。

根据本发明其它最佳实施例，不管采用哪种实施方式，叶片都可拆卸地固定在一个或若干侧板和／或轮缘上。本发明该实施例确保涡轮在使用过程中的良好尺寸稳定性，以及作用力从叶片向轮缘的有效传递。对叶片或侧板的维护保养也很方便。

根据其它实施例，叶片可以永久性地固定在一个或若干侧板和／或轮缘上。

本发明还涉及一种皮尔顿式水轮机，这种水轮机包括如前所述的一个涡轮。这种水轮机可以用比以前的水轮机低的成本加以制造，因为考虑到机械应力最佳分布在涡轮上，所以可以使构件的尺寸最佳化。另外，这种水轮机的效率由于鼓风机效应的减小而得到提高。

通过下面参照附图对本发明水轮机涡轮的两个非限定实施例的描述，本发明的其它优越性将得到更好地理解。

附图如下：

图1是本发明一个皮尔顿式水轮机涡轮的局部立体图；

图2是沿图1中Ⅱ-Ⅱ线的剖视图；

图3是沿图2中Ⅲ-Ⅲ线的剖视图；

图4类似于图2，示出本发明另一个实施例中的一个水轮机涡轮。

图1所示的水轮机涡轮包括一个轮缘1和一些叶片2，在所示的实施例中，叶片数目为18个，分布在轮缘1的周边。每个叶片包括两个内弧3，这两个内弧由一个中央棱4加以分隔，所述中央棱用于同一个或若干未示出的水或蒸汽喷射器相对地进行布置。轮缘1安装在一个未示出的传递运动的轴上。

为简明起见，图1仅示出一个叶片。

根据本发明，两个环形侧板5和6安装在轮缘1上，有助于相对于轮缘对叶片2加以保持。侧板5和6分别配有叶片座7和8，叶片2的内弧3可以嵌入到叶片座中。叶片座7和8可以在侧板5和6中机械加工或模制而成。每个侧板5和6径向超出到叶片2外部，以便两个连续的材料带9和10分别限定在两个侧板5和6的外周边区域。材料带9和10连接分别属于侧板5和6的臂11和12。侧板5的每个叶片座7由属于侧板5的两个相邻的辐射式臂11和材料带9加以限定，而侧板6的每个叶片座8由属于侧板6的两个相邻的辐射式臂12和材料带10加以限定。

因此，每个叶片2同时由轮缘1和两个侧板5和6加以支承，每个侧板形成一个围绕轮缘1的整件环形外缘，以便如图3所示，由水或蒸汽的射流传递到一个叶片2上的推力F分布成沿侧板5或6的辐射式臂11或12的作用力F’，由此传递到轮缘1上。这些作用力中的一部分还可以如同已知的装置那样经由叶片固定区域传递到轮缘上。由于这种分布，轮缘1上的叶片2的固定区域不是机械应力的一个临界区域。

叶片和侧板安装在轮缘1上情况尤其示于图2和3。要注意的是一个叶片2的中央棱4的轴线XX’。叶片2包括两个支片15和16，用于布置在轮缘1的一个外径向部分17的两侧。构件15至17分别配有一个用于接纳一个锁紧螺钉18的中央孔15a、16a或17a。侧板5和6布置在轮缘1以及支片15和16的两侧，在其内边缘5a和6a附近具有孔5b和6b，这些孔与孔15a、16a和17a对齐，以便螺钉18连续穿过侧板5、支片15、径向部分17、支片16和侧板6。因此，侧板5和6以及叶片2以可拆卸的方式安装在轮缘1上。

传递到各个不同叶片2上的水或蒸汽射流的作用力F不仅仅由每个叶片2的支片15和16进行传递，而且由于侧板5和6尤其是材料带9和10的缘故，分布在轮缘1的周边上。

尤其如图3所示，为了提高安装的坚固程度，可以确定成相对于保留在相邻两个区域17之间的间隙19中的轮缘1的标称宽度，轮缘1的区域17切削掉多余的材料。

辐射式臂11和12的几何形状适于叶片的外部形状，以便通过形状的配合使叶片固定在叶片座7和8内，其优越性是辐射式臂11和12基本填满涡轮的相邻两个叶片之间的间隙，以致两个侧板5和6之间的内部容积20的气动力分离情况相对于侧板的外部达到最佳化。换句话说，空气穿过内部容积20的横向流通得到限制。

要注意的是，侧板5和6在叶片2的内弧3的中央轴线AA’和BB’上完全对齐。因此，侧板5和6的臂11和12与内弧3的底部相隔一段距离d₁，与内弧3的边缘相隔一段距离d₂，足以不干扰水或蒸汽朝容积20的外部流动。距离d₂基本小于距离d₁，这相当于辐射式臂11和12完全填满相邻两个叶片之间的间隙。

如图3所示，每个叶片2还借助于一个锁紧螺钉21同侧板6相连接，螺钉拧入侧板6的一个孔22中，适于拧到叶片2的一个后部凸起23中。一个相同的结构配置在侧板5处。螺钉21使叶片2相对于侧板5的固定程度得以提高。

在图4所示的第二实施方式中，与图1至3所示实施例中的构件相类似的构件，用相同的标号加50予以标示。在该实施例中，轮缘51由两个半轮缘51a和51b形成，这两个半轮缘用于例如通过螺钉51c彼此组装在一起。

半轮缘51a通过一个整件外缘55朝外径向延伸，外缘形成一个环形侧板，其作用与前述实施例中的侧板5的作用相同。外缘或侧板55在一个叶片52的外部径向延伸，叶片配有两个内弧53，这两个内弧由一个中央棱54加以分隔。同样，半轮缘51b通过一个用于支承叶片52的环形外缘或侧板56进行延伸。外缘55和56配有接纳叶片52的叶片座57、58，而分别属于侧板55和56的连续材料带59和60使叶片座57和58限定在其外部径向部分。

因为构件51a和55以及51b和56形成整件，所以侧板55和56以及轮缘51之间作用力的传递达到最佳化。

第二实施例中皮尔顿式水轮机涡轮的安装方法是，使半轮缘51a和51b彼此靠近，而叶片52径向分布在接近其最终位置的一个位置上，这样可以使每个叶片52的一个尾部或舌片52a夹紧在半轮缘51a和51b之间，从而提高叶片52相对于轮缘51的固定程度。螺钉51c最好穿过每个叶片52的尾部52a。

根据本发明未示出的其它实施例，可以使轮缘51以及侧板55和56形成一个整件。换句话说，半轮缘51a和51b通过模制和／或机械加工连接为一个单个构件。

使用第二实施例中的装置，也可以获得图1至3示出的实施例中的水轮机空气流通的改进效果。

鉴于本发明水轮机涡轮的叶片和轮缘所承受的应力不太大，可以使用迄今尚未用于这种装置的材料来制造所述构件和侧板。特别是，可以使用合成树脂，或者是添加加强纤维的合成树脂，某些构件仍可以使用金属。

叶片的制造可以同轮缘和侧板无关，可以在安装之前在叶片上覆盖一种抗磨损或防腐蚀材料。尤其是可以采用本申请人在文献EP-A-0543753中提出的方法。

一个本发明水轮机的涡轮由一个轮缘、一个或两个侧板以及叶片或具有加强件的叶片组装而成。可以通过所述的方法以及附图中所示的方法，或者通过其它适当的方法，例如形状的配合、夹紧、箍紧、焊接、钎焊、胶接等方法，将所述各个不同的组件装配起来。

本发明的叶片是附加在轮缘和侧板上，并且以可拆卸的方式加以安装。也可以使叶片永久性地安装在轮缘和／或侧板上，尤其是通过焊接、钎焊或者胶接而成。同样，可以制造一种模制而成的整件涡轮，这种涡轮具有一个轮缘、一个或两个侧板以及一些叶片。