液力机械、包括液力机械的能量转换设备及机械调节方法

摘要

液力机械包括可围绕固定轴线相对于固定结构(9)转动活动的轮(2)，强制水流穿过轮(2)。至少一限制水泄漏的装置(100)位于轮(2)和固定结构(9)之间，该装置在轮与固定结构之间形成有运行间隙(J)。该泄漏限制装置(100)包括至少一可变形和/或活动的机构(103)，轮(2)转动时，该机构相对轮的旋转轴线沿径向方向(F1)变形/或活动。

说明书

技术领域

本发明涉及液力机械，所述液力机械包括围绕一固定轴线和相对一固定结构转动活动的轮，该轮用于由一强制水流穿过。当该机械是涡轮机时，这种水流的作用是带动轮转动。当机械是泵时，该转动导致了这种强制水流。

背景技术

无论涉及涡轮、泵抑或涡轮泵的液力机械一般配有经常被称为“迷宫”的装置，该装置用于限制由于被带到轮附近的水量趋向于围绕该轮流动而导致的水泄漏。这种泄漏导致该机械所属的设备的效率损失，所述迷宫则通过如下方式旨在限制前述情况：在轮与机械的固定结构之间形成有比较狭小的运行间隙，从而泄漏的流动路径比较狭小，这样就限制了泄漏流量。

迷宫一般设计成与轮的旋转轴线同心的柱体的形式，并带有一个或多个产生尽可能小的间隙的台阶。为了避免轮旋转时迷宫的过早磨损，运行间隙应足够以考虑到在过渡状态期间轮的可能的径向运动并考虑到轮在离心力作用下的膨胀。在这些条件下，应通过考虑最不利的运行条件即过渡状态和通过考虑轮的径向运动，来确定当前迷宫的运行间隙。这导致确定出较大的运行间隙，由此在轮周围产生不可忽略的泄漏，特别是在Francis水轮机(混流式水轮机)的情况下。

泵和涡轮泵会产生相似的问题。

发明内容

本发明尤其意在通过提出一种液力机械来克服这些缺点，在该机械中，可以优化泄漏限制装置的运行间隙，以减小泄漏流量。

因此本发明涉及一种液力机械，其包括围绕固定轴线和相对固定结构转动活动的轮，所述轮用于被强制水流穿过，而用于限制水泄漏的至少一泄漏限制装置位于所述轮和所述固定结构之间，所述泄漏限制装置在所述轮与所述固定结构之间形成有运行间隙。该机械的特征在于，所述泄漏限制装置包括至少一可变形的和/或活动的机构，当所述轮转动时，所述机构相对轮的旋转轴线按径向方向变形/或活动。

由于可变形的和/或活动的机构，可调节通常被称为“迷宫”的泄漏限制装置的运行间隙，甚至即便机械在使用中，即甚至即便其轮在转动中时。这样可以考虑与机械可能的不同状态对应的运行间隙的不同需要。特别是，在轮可能有较大径向运动或由于离心力产生膨胀的机械使用阶段，可以采用最大的间隙。这特别涉及启动阶段和超速阶段。相反，当机械处于生产阶段时，例如当轮机在稳定条件下与交流发电机联接时，可以在轮的旋转也已稳定的范围内采用最小间隙。该最小间隙允许减小轮周围的水的泄漏，因此提高机械的效率。另外，本发明装置的机构的活动特征可以考虑在轮相对它的旋转轴线横向运动时来自轮方面的受到碰撞后使机构移动。

根据本发明的一些有利的但不是强制的方面，这类机械可包括以下特征的一个或多个，这些特征能以任何可行的技术组合采用：

-泄漏装置包括至少一可变形的机构，可变形的机构在控制流体所施加的压力的作用下，在对应于所述运行间隙的第一值的第一形态和对应于所述运行间隙的第二值的第二形态之间变形。所述可变形的机构有利地适于通过径向收缩而变形，以从它的第一形态过渡到它的第二形态。该可变形的机构在轮的整个周边上围绕轮。

-所述泄漏限制装置包括多个活动的机构，所述多个活动的机构在对应于所述运行间隙的第一值的第一形态和对应于所述运行间隙的第二值的第二形态之间、相对所述轮的旋转轴线径向地活动。

-前述机构安装在所述固定结构上，所述机构的径向内表面朝向所述轮的径向外表面；而所述运行间隙形成在这些径向内表面和径向外表面之间。

-该液力机械包括在所述第一形态和第二形态的每一个中使所述机构相对所述轮的旋转轴线对中的部件。

-所述机构与所述固定结构的一部分限定出容积可变的室，所述容积可变的室的容积根据所述机构所处的形态变化，给所述容积可变的室提供加压控制流体。在这种情况下，可以设置控制给所述容积可变的室提供所述加压控制流体的部件。

-作为变型，该液力机械包括控制所述活动的机构在其可处于的两种形态之间移动的作动器。

-根据另一变型，该机械包括至少一在所述活动的机构上施加使其朝机构可处于的所述两种形态之一回复的弹性回位力的部件。

-该机械包括使所述机构不能围绕轮的旋转轴线转动的部件。

-控制流体为在为轮供水用以形成强制水流的管道上取出的水。作为变型，控制流体可以是气体特别是空气，或者可以是油。

本发明还涉及将液能转换为电能或相反转换的设备，该设备包括上面提到的机械。该设备比现有技术的设备具有更好的效率。

本发明最后还涉及可以与如上述机械配合实施的调节方法，以便优化泄漏限制装置的运行间隙。根据该方法，在轮围绕其轴线转动时，这样来进行调节：在至少包括过渡状态的某些轮转动阶段，采用所述运行间隙的第一值；而在包括至少一稳定状态的某些其它的轮转动阶段，采用所述运行间隙的第二值。

有利的是，通过控制输送给所述泄漏限制装置的控制流体的压力和/或量，采用所述运行间隙的前述两个值之一。

附图说明

通过下面对符合本发明原理的机械及设备的六个实施方式进行的描述，可以更好地了解本发明并且它的其它优点将更清楚地体现出来，该描述仅作为例子给出并参照附图进行，附图中：

-图1是符合本发明的高水头的能量转换设备的原理剖面图，该设备包括符合本发明的并处于第一运行形态的Francis水轮机；

-图2是图1细部II的放大比例图；

-图3是当水轮机处于第二运行状态时的与图2类似的图；

-图4是图1细部IV的更大比例图；

-图5是当机械处于第二运行形态的与图4类似的图；

-图6是符合本发明第二实施方式的低水头设备和Francis水轮机的与图1右半部的一部分相类似的图；

-图7是图6细部VII的放大比例图；

-图8是当机械处于第二运行形态时的与图7类似的图；

-图9是图6细部IX的放大比例图；

-图10是当机械处于第二运行形态时的与图、9类似的图；及

-图11是符合本发明第三实施方式的Francis水轮机的局部轴向原理剖面图；

-图12是沿图11的线XII-XII的局部剖面图；

-图13是符合本发明第四实施方式的水轮机的与图11类似的剖面图；

-图14是符合本发明第五实施方式的水轮机的与图11类似的剖面图；和

-图15是符合本发明第六实施方式的水轮机的与图11类似的剖面图。

具体实施方式

图1-5表示的设备I包括混流式水轮机1，从箱体3供给水轮机的轮2，一强制管道4通到箱体3中。用X₂表示轮2的竖直固定的旋转轴线。通过轴11使水轮机1与生产电的交流发电机5联接。两组未示出的活动导叶和固定导叶位于箱体3与轮2之间，活动导叶和固定导叶的作用是朝排放管8的方向引导来自管道4和用于穿过轮2的流E。

轮2包括延伸在顶板22与轮箍23之间的叶片21。这些叶片在它们之间并与顶板22及轮箍23形成一些内叶片空间IA，流E在穿过轮2时从所述空间IA通过。

轮2通过螺钉24被固定在轴11的下部分，螺钉24锁紧在设于轴11内的螺纹孔12中。

箱体3、管道4和管8属于图中只部分示出的固定结构9，并且固定结构9支撑水轮机1的旋转部分，尤其是轴11和轮2。

当所述流到达叶片21的前缘21a附近时，该流E可进入到内叶片空间IA中。该流还可以穿过环形缝隙f₁深入到环形的空间V₁，空间V₁在顶板22和固定结构9的一部分91之间形成。流E也可穿过环形的缝隙f₂深入到环形的空间V₂中，空间V₂在轮箍23与固定结构9的另一部分92之间形成。

在图2-5中，在空间V₁和V₂中的不期望的水流用箭头E₁和E₂表示。为了避免这些不期望的流E₁和E₂引起较大泄漏并明显降低水轮机1的效率，泄漏限制装置100和200被插置于轮2与部分91、92之间。

装置100的目的是限制从空间V₁朝向位于顶板22之上的空间V’₁、径向地在空间V₁与轴X₂之间的泄漏。装置200的目的是限制从空间V₂向管8的内部空间V’₂的泄漏。因此不期望的流E₁和E₂从在前缘21a附近、自轮2的输入区分别穿过缝隙f₁、f₂与空间V₁、V₂朝空间V’₁、V’₂的方向流动。

装置100包括由两个半壳101A和101B形成的壳体101。壳体101通过螺钉102被固定在部分91上，螺钉102穿过两个半壳101A和101B并拧紧在设于部分91中的螺纹孔91A内。半壳101A和101B为圆形，并且在轴线X₂上对中。设置有数量足够以可将壳体101有效固定在固定部分91上的螺钉102。

环103安装在壳体101中，并与壳体101限定出容积可变室C₁，室C₁通过两个密封垫104A和104B与外界隔绝，两个密封垫104A和104B安装在分别设于环103的上表面和下表面上的槽103A和103B中。

销子105接合在分别设于壳体101和环103中的槽座101F和103F内，以使环103相对于壳体101不能围绕轴线X₂转动。

半壳101A包括朝向半壳101B的壁101C。同样，半壳101B包括朝向半壳101A、更特别的是朝向壁101C的壁101D。壁101C与壁101D之间限定出开口O₁，并且环103包括位于壁101C与壁101D之间的鼻状部103C。

环103由可弹性变形的材料、例如钢或复合材料制成。在施加于环的径向外表面103D的力的作用下，该环可以按图2和3中的箭头F₁的方向、朝轴线X₂的方向收缩。通过在室C₁中注入加压水，控制环103朝轴线X₂的方向的收缩。

该水来自强制管道4，借助支管300在强制管道4中提取水，支管300构成管子301的管接头，管子301可把次流E_s引向过滤器302，然后引向可增加次流E_s压力的泵303。该泵供给储存器-蓄集器308，储存器-蓄集器308通过管子309与环形的管道304连接，管道304通过通到壳体101内的支管305与室C₁连接。这些支管305在相对螺钉102的接纳区角向错开的平面中分布在轴线X₂周围。

另外，轮2的顶板22设有圆形的翼221，该翼与顶板成一整体并且相对顶板的上表面向上延伸。作为变型，翼221可以是可拆卸的。

在水轮机1的已安装好的形态中，翼221具有与装置100相面对就位的径向外表面221A。更确切的说，表面221A与环103的径向内表面103E的一部分相面对布置，表面103E实际上是可穿过开口O₁触及的鼻状部103C的表面。

当水轮机1处在运行过程中时，翼221与轮2一起围绕轴线X₂转动，而装置100由于安装在部分91上而是固定的。因此，在翼221、与装置100的相面对部分即半壳101B和环103之间，应形成有运行间隙J。

由于该运行间隙J，深入到空间V₁中的流E₁可朝空间V’₁的方向传播，如图2的箭头E₁所示。

在图2的形态中，没有从管道304给室C₁提供加压水，因此室C₁中的水压P₁较小，甚至为零，以致由于环的弹性，该环103处于相对无应力构形，在该相对无应力构形中，表面103E没有相对壁101C和壁101D突伸出。因此表面103E与表面221A之间的间隙J₁足够大，以避免翼221与装置100之间的碰撞，或者以便限制接触力，其中甚至包括在轮2没有对齐在轴线X₂上或者轮2在离心力作用下膨胀的情况下。

在水轮机1达到稳定运行状态时，轮2相对轴线X₂没有对齐的危险性最大程度减小并且通过使鼻状部103C朝翼221的方向从壳体101伸出，间隙J可被减小到小于值J₁的值J₂。这通过增加室C₁中的水压直至达到值P₂来实现，通过管道304和支管305使室C₁与储存器-蓄集器308连通而达到值P₂。压力P₂在环103的表面103D上施加力，该力如在图3上用箭头F₂表示那样分布，所述力的作用是使环103朝轴线X₂的方向径向收缩，从而表面103E靠近表面221A，同时减小流E₁的可能的通过截面。因此限制了水从空间V₁向空间V’₁的泄漏。

安装在管子301上并在泵303与管道304之间的电磁阀306，允许控制储存器-蓄集器308与室C₁的连通。该电磁阀受电子控制装置307控制。作为变型，一些电磁阀可以在管道304与室C₁之间安装于支管305上，以便控制给该室提供加压水。

另外，一未示出的电磁阀可以使室C₁与同样未示出的排泄管线连通，该排泄管线排流到管8或未示出的排水井中。

在水轮机1的突然过渡状态的情况下，尤其是在超速的情况下，因此可以通过关闭电磁阀306而打开另一电磁阀，来快速排清室C₁，以便环103通过弹性恢复它的图2的形态，该形态可以限制环103与翼221之间意外接触的危险。

在图2和3的剖平面中，壳体101确定四个凹角101G、101H、101I和101J，这四个凹角分别与图2和3中可见的环103的截面的四个凸角103G、103H、103I和103J大致互补。

角101G、101H、103G、103H构成对中部件，其在图2的形态中通过形状配合使环103相对轴线X₂对中。同样，角101I、101J、103I和103J构成在图3的形态中通过形状配合使环103对中的部件。

通过作用于从管道304提供给室C₁的压力和电磁阀306的开放时间，可使环103处于图2和3各自所示的形态之间的中间形态，这可以适应水轮机1的某些运行状态。

装置200与装置100的相似的构成零件带有相同的参考数字再加上100。装置200包括由两个半壳201A和201B形成的壳体201，两个半壳201A和201B安装在部分92上并通过螺钉202互相组装。可弹性变形的环203位于壳体201中，承受由壳体201和环203限定的容积可变的室C₂中充斥的压力。

两个密封垫204A和204B分别位于槽203A和203B中，槽203A和203B分别设在环203的上侧面和下侧面上。

设有销子205，用以使环203相对壳体201不能围绕轴线X₂转动。

如前所述，在图4和5的平面中由壳体201确定的凹角和由环203确定的凸角，允许在这些图中分别所示的两种形态中使环相对轴线X₂对中。

环203的径向内表面203E是梯级形的，因为其包括三个部分203E₁、203E₂和203E₃，每个部分由具有圆形底的柱形表面形成，部分203E₂的直径大于部分203E₁的直径而小于部分203E₃的直径。

相应地，轮箍23的下游边231的径向内表面231A分为直径递增的三个部分231A₁、231A₂和231A₃。

表面203E和231A在它们之间形成泄漏流可流经过的弯曲通道，如图4的箭头E₂所示。如前所述，将水轮机1在环带23处的运行间隙J’确定为表面203E和表面231A之间的最小距离。

在间隙J’应最大的形态中，特别是在如上关于装置100所考虑的过渡状态的情况下，在室C₂中的水压保持在较小或为零的值P₁的范围内，间隙J’保持在对应于图4形态的最大值J’₁。

通过未示出的部件给室C₂供应加压水，所述部件完全类似于用以供给室C₁的部件并包括通过支管505与室C₂连接的管道504。管道504可以与泵303连接，或者与另一加压水源连接。该管道的供水是受控的，例如通过与电磁阀306类似的电磁阀加以控制，如果选择同时改变室C₁和C₂中的压力甚至通过该相同的电磁阀306进行控制。

在稳定的水轮机1使用状态，间隙J’可以减小到图5所示的值J’₂。为此，将室C₂中的水压被带到大于值P₁的值P₂。其作用是使表面203E靠近表面231A，这样限制了流E₂从空间V₂向空间V’₂的通过截面。在图5中，箭头F₂表示朝轴线X₂方向对环203的径向压缩力，所述径向压缩力由于室C₂中的水压P₂所导致，并施加在环203的径向外表面203D上。

图1-5所示的水轮机是装置100和200的就位已被优化的高水头水轮机。

本发明还可应用于第二实施方式的如图6-10所示的低水头水轮机，其中与第一实施方式的相类似的零件带有相同的参考数字。

在该实施方式中，泄漏限制装置100安装在属于设备I的固定结构9的板件91上，以便与轮2的顶板22的径向外边缘222形成运行间隙。装置100包括通过螺钉102固定在部分91上的板件101。另外，板件91中在边缘222的附近设有一槽座，用于接受可弹性变形的环103，该环的上和下边缘分别设有接合在为此专设的槽103A和103B中的密封垫104A和104B。

密封垫106保证板件101与部分91之间组装的密封性。

多个销子能使环103相对于部分91不能围绕轮的旋转轴线X₂转动，图7和8中只能看到多个销子中的一个并且该销子带有参考数字105。

环103具有径向外表面103E，径向外表面103E与边缘222的径向外表面222A相面对布置，形成允许轮2相对固定部分81转动运动的运行间隙J。不期望的流E₁在表面103E和222A形成的环形空间中，从在顶板22附近、轮2入口处的强制流E循流到的空间V₁朝空间V’₁流动，空间V’₁设于顶板22与部分91之间、在轮2之上。

容积可变的室C₁在零件91和环103的径向外表面103D之间形成。该室通过至少一支管305与和第一实施方式所提及的供应部件相类似的供应部件连接，所述供应部件包括管子301，从设在设备的箱体3的供应管道上的支管供给管子301。管子301相继供给过滤器302、泵303和储存器-蓄集器308。该储存器-蓄集器308通过管子309与环形的管道304连接，一个或多个支管305从管道304延伸。受电子装置307操纵的电磁阀306控制第二水流E_s从储存器-蓄集器308流向管道304。因此可以控制室C₁中存在的水压。

在过渡状态期间，室C₁中的水压P₁的值较低、甚至为零，以致环103在其弹性作用下处于图7所示的位置，间隙J在该位置具有较大的第一值J₁。

在稳定的工作状态，附加的水量被带引到室C₁中，其作用是将该室中的压力带到大于值P₁的值P₂。这样的作用是使环203向轴线X₂和表面222A的方向径向地变形，则环203处于图8的形态，在该形态中所述间隙J的值J₂小于图7形态的间隙值。这样可以限制不期望的流E₁朝空间V’₁方向的通过截面。

不期望的流趋向于在轮箍23附近、在轮2入口的强制流循流到的空间V₂与空间V’₂之间流动，空间V’₂设在轮箍周围、在该轮箍与固定柱体93之间。

装置200位于环带23的上游边232附近，以便限制流E₂。装置200包括由两个部分201A和201B形成的壳体201，两个部分201A和201B固定在属于设备I的固定结构9的板件92上。可变形的环203安装在壳体201中，并在它的上边缘处带有安装在槽203A中的O形密封垫204A。另外，O形密封垫204B安装在本体201的下部分201B中、在槽201K内。

可穿过支管505给可变容积的室C₂提供加压水，从而环203根据室C₂中分别存在的压力值P₁或P₂处于图9和10分别所示的形态中的一个或另一个。

室C₂与和管道304类似的环形管道504连接。

因此，在环203的径向内表面203E与边缘232的径向外表面232A之间的间隙J’，可以取图9和10分别所示的值J’₁和J’₂中的一个。其中间隙J’最小的图10形态是为设备I的稳定运行状态而选用的，而图9的形态优选用于瞬时状态和速度变化阶段、尤其是启动或超速阶段。因此，不期望的流E₂在设备的稳定运行状态最小化。

在图11部分地表示的本发明第三实施方式中，与第一实施方式的零件类似的零件带有相同的参考数字。

在水泄漏限制装置100中，多个区段103分布在Francis水轮机的轮的顶板22的外周边222周围。每个区段103配有密封垫104A或104B位于其中的上槽103A和下槽103B。

区段103沿相对轮2的旋转轴线X₂的径向方向相互覆盖。更确切的说，每个环103包括形成凹槽103N的部分103M，相邻区段的对应部分103P可接合到凹槽103N中。因此两个相邻区段103的部分103M和103P互相覆盖。

该覆盖这样进行：在一区段103的一部分103M的基本径向的端部表面103Q与另一区段103的相邻部分103S的相面对表面103R之间设置侧向间距E_L。同样地，在分别由一区段103的一部分103P和另一区段103的相面对部分103X所形成的两个径向表面103T和103V之间设置侧向间距E’_L。

区段103位于壳体101中，密封垫104A和104B承靠着壳体101，并且壳体包括后隔板101L，后隔板101L与区段103的径向外表面103D并沿相对轴线X₂的径向方向限定出容积可变的室C₁。

如前所述，可以通过一个或多个支管305控制进入室C₁的水量的压力，以便操纵区段103按图11和12的箭头F₁所示的径向方向移动。这样可以控制在不同区段103的径向内表面103E与边缘22的径向外表面222A之间的径向间隙J的值。

当这些区段103朝轴线X₂的方向移动时，侧向间距E_L和E’_L允许区段103相对靠近。

密封垫107平行于轴线X₂布置，并保证室C₁与缝隙之间的密封性，该缝隙存在于区段103的表面103T和表面103V之间。

和第一实施方式中一样，壳体101设有限制区段103朝轴线X₂方向运动的壁101C和101D。

在图13所示的本发明第四实施方式中，与图11和12的实施方式中一样，在泄漏限制装置100中使用多个区段103，这些区段互相部分覆盖并配有密封垫104A(或类似零件)和107。

该实施方式与前一实施方式的不同在于，对区段103的径向定位的控制，不是通过作用于径向地位于这些区段103外部的室内的压力进行，而是使用可以被液力或气动操纵的双作用作动器400来进行。

作为变型，使用的作动器为单作用作动器，在这种情况下，依靠区段103与边缘222之间的流压，以把这些区段推向间隙J增加的分离形态。

在图14的实施方式中，在泄漏限制装置100中使用不同的区段103。这些区段和图11-13的实施方式中一样互相覆盖。在该实施方式中，一些弹簧500分布在区段103周围，并且可以在这些区段103上施加朝向轴线X₂的弹性力F₅，这样可以赋予间隙J一预先确定的值，该间隙J在区段103的径向内表面103E和水轮机的轮的顶板的边缘222的径向外表面222A之间。

在轮2失衡的情况下，轮2可能碰撞其中一区段103，则该区段103可能被朝其承受的力F₅的相反方向推动，而水轮机的顶板没有明显的破坏。实际上，在图1-13实施方式的机械中也存在这种减缓碰撞的倾向，因为在碰撞的情况下，室C₁允许环103、203和区段103朝外径向移动。这些室与储存器-蓄集器308和类似部件连接，这样可以在一环或一区段在碰撞作用下径向离心移动的情况下排出一部分的控制液。

根据图15所示的变型，在泄漏限制装置100中可用位于区段103周围的唯一一个弹簧600代替这些弹簧500，该弹簧600也施加朝向轮2的旋转轴线X₂并分布在不同区段103上的弹性力F₅。

在图14和15的实施方式中，每个区段103可以按径向方向F₁朝轴线X₂的方向滑动，并且力F₅趋于把这些区段带到间隙J是最小的形态中。

已经对本发明在其应用于Francis水轮机中时进行了描述。但是本发明也适用于其他类型的涡轮机、泵和涡轮泵。

以上所述和提到的实施方式的技术特征可以在本发明的范围内相互间进行组合。

第三、第四、第五和第六实施方式中考虑的区段103位置的不同控制方式可以互相组合。特别是可以在图11-13的实施方式中设置弹簧。

在第一、第二和第三实施方式中，可使用来自管道4的除水以外的流体来控制机构103或203的位置。特别是可使用加压油或加压空气。