轴向辐流式涡轮.pdf

本发明提供一种具有改进了形状的叶片的轴向辐流式涡轮，从而减少叶片周围的二次流，并提高水压效率。轴向辐流式涡轮包括一个旋转轴、一个轮冠、多个叶片和一个轮边。轮边通过叶片与轮冠同轴相连，旋转轴、轮冠、叶片和轮边作为一个整体由水驱动，并且在涡轮运行期间朝着涡轮方向转动。在至少一个叶片的前缘上，在轮冠和轮边之间存在一个局部极大点。前缘从轮边连结点朝着涡轮方向倾斜，在轮边连结点处轮边与前缘相连结。并且，在旋转方向上，在局部极大点处，轮边连结点和前缘间的周向距离最大。

1.  一种轴向辐流式涡轮，包括：
旋转轴；
随旋转轴转动的轮冠；
多个周向排列在轮冠上的叶片，其中每个叶片包括一个作为前缘的外端；
通过叶片与轮冠同轴相连的轮边；和
至少在一个前缘上介于轮冠和轮边之间存在一个局部极大点；
其中旋转轴、轮冠、叶片和轮边作为一个整体由水驱动，并且在涡轮运行期间朝着涡轮方向转动，
前缘具有一个轮边连结点，轮边和前缘在此处相连结，
前缘从轮边连结点朝着涡轮方向倾斜，
在涡轮方向上，在局部极大点处，轮边连结点和前缘之间的周向距离最大。

2.  如权利要求1所述的轴向辐流式涡轮，还包括：
在存在局部极大点的前缘上存在一个局部极小点；
其中，局部极小点位于局部极大点的轮冠侧。

3.  如权利要求1所述的轴向辐流式涡轮，
其中，沿着旋转轴的中心轴线方向，在轮边和局部极大点之间的距离P用沿该方向上轮边和轮冠之间的距离B表示如下
(a)0.25B≤P≤0.75B。

4.  如权利要求1所述的轴向辐流式涡轮，
其中，叶片的数目为Zr，
可以在垂直于旋转轴的中心轴线的平面上，由从中心轴线到轮边连结点的直线和从中心轴线到局部极大点的直线确定角度θ₁，其中θ₁在如下范围内
( a ) 1 32 360 Zr ≤ θ 1 ≤ 1 4 360 Zr ]]>度。

5.  如权利要求1所述的轴向辐流式涡轮，其中前缘有一个轮冠连结点，在此处轮冠和前缘相连结，叶片的数目为Zr，
可以在垂直于旋转轴的中心轴线的平面上，由从中心轴线到轮边连结点的直线和从中心轴线到轮冠连结点的直线确定角度θ₂，其中θ₂在如下范围内
( a ) | θ 2 | ≤ 1 4 360 Zr ]]>度。

6.  一种轴向辐流式涡轮转子，所述转子可以绕着旋转轴线旋转，所述转子包括：
可以绕着旋转轴线转动的轮冠；
多个周向排列在轮冠上的叶片，其中每个叶片包括一个外端作为前缘；
通过叶片与轮冠同轴相连的轮边；和
至少在一个前缘上介于轮冠和轮边之间存在一个局部极大点；
其中轮冠、叶片和轮边作为一个整体由水驱动，并且在涡轮运行期间朝着涡轮方向转动，
可以引入由参数r，θ和z确定的圆柱坐标系，这样，
(a)原点设定在旋转轴线上前缘与轮边连结处的位置上，
(b)θ的正向设定为涡轮方向，
(c)z的正向设定为朝着轮冠的方向，
其中在应用θ和z的圆柱坐标系表示的圆柱表面上，前缘的投影轮廓如下：
(d)至少在轮边侧上 &PartialD; 2 θ &PartialD; z 2 < 0 , ]]>
(e)在局部极大点处 &PartialD; θ &PartialD; z = 0 . ]]>

7.  如权利要求6所述的轴向辐流式涡轮转子，还包括：
在存在局部极大点的前缘上存在一个局部极小点；
其中在应用θ和z的圆柱坐标系表示的圆柱表面上，前缘的投影轮廓如下：
(f)在局部极小点处 &PartialD; θ &PartialD; z = 0 , ]]>
(g)在局部极小点处 &PartialD; 2 θ &PartialD; z 2 > 0 . ]]>

8.  如权利要求6所述的轴向辐流式涡轮转子，
其中，在轮冠处的z值为B，
在局部极大点处的z值在下面范围内：
(f)0.25B≤z≤0.75B。

9.  如权利要求6所述的轴向辐流式涡轮转子，
其中，叶片的数目为Zr，
θ的起点设定在前缘和轮边连结处的点上，
其中在局部极大点处的θ值在下面的范围中：
( f ) 1 32 360 Zr ≤ θ ≤ 1 4 360 Zr ]]>度。

10.  如权利要求6所述的轴向辐流式涡轮转子，
其中，叶片的数目为Zr，
θ的起点设定在前缘和轮边连结处的点上，
在前缘和轮冠连结处的点上，θ值在下面的范围中：
( f ) - 1 4 360 Zr ≤ θ ≤ 1 4 360 Zr ]]>度。

轴向辐流式涡轮
对照相关申请
本申请以申请日为2003年6月16日、申请号为2003-171108的在先日本专利申请为基础，并要求该申请的优先权，该申请的全部内容作为参考文献合并到本申请中。
技术领域
本发明涉及一种用于水轮机或泵的轴向辐流式涡轮，特别涉及一种叶片前缘形状经过改进的轴向辐流式涡轮转子。
背景技术
轴向辐流式涡轮用于水压机，该水压机包括用来产生能量的可逆式水泵-水轮机。
美国专利4,479,757中描述了一种传统的轴向辐流式涡轮转子。这种传统的轴向辐流式涡轮转子包括若干叶片，叶片入口(前缘)形状朝着与涡轮运行时的旋转方向相反的方向从轮边侧到轮冠侧弯曲。
美国专利6,135,716中描述了另一种传统的轴向辐流式涡轮转子。这种传统的轴向辐流式涡轮转子包括若干叶片，叶片出口(后缘)形状朝着涡轮运行时的旋转方向从轮冠侧到轮边侧弯曲。这种传统的轴向辐流式涡轮转子也可以包括若干叶片，叶片入口(前缘)形状朝着与涡轮运行时的旋转方向从轮边侧到轮冠侧弯曲。
改进这些传统轴向辐流式涡轮的叶片形状是为了提高水压效率或减少气穴现象。由于在如计算流体动力学等领域中技术的最新发展，叶片形状仍然存在改进的余地以提高效率。
特别是，众所周知，二次流不沿着水流线流动，使叶片上的压力分布产生变形，并导致水压效率的损失。
发明内容
因此，本发明一方面的优点是提供一种具有改进了的叶片形状的轴向辐流式涡轮，从而减少叶片周围的二次流，并提高水压效率。
为了达到上述优点，本发明一方面提供一种轴向辐流式涡轮，该轴向辐流式涡轮包括：旋转轴；与旋转轴一起旋转的轮冠；多个周向排列在轮冠上的叶片，其中每个叶片包括一个外端作为前缘；通过叶片与轮冠同轴相连的轮边；以及至少在一个前缘上存在于轮冠和轮边之间的局部极大点。其中旋转轴、轮冠、叶片和轮边作为一个整体由水驱动，并且在涡轮运行期间朝着涡轮方向转动，前缘具有一个轮边连结点，在此处轮边和前缘相连结，前缘从轮边连结点朝着涡轮方向倾斜，在涡轮方向上，在局部极大点处，轮边连结点和前缘之间的周向距离最大。
另外，本发明另一个方面提供一种轴向辐流式涡轮转子，该转子可以绕着旋转轴线旋转，该转子包括：可以绕着旋转轴线旋转的轮冠；多个周向排列在轮冠上的叶片，其中每个叶片包括一个外端作为前缘；通过叶片与轮冠同轴相连的轮边；以及至少在一个前缘上存在于轮冠和轮边之间的局部极大点。其中轮冠、叶片和轮边作为一个整体由水驱动，并且在涡轮运行期间朝着涡轮方向转动，可以引入由参数r，θ和z确定的圆柱坐标系，这样，(a)原点设定在旋转轴上前缘与轮边连结的位置处，(b)θ的正向设定为涡轮旋转方向，(c)z的正向设定为朝着轮冠的方向，其中在应用θ和z的圆柱坐标系表示的圆柱表面上，前缘的投影轮廓如下，(d)至少在轮边侧上 &PartialD; 2 θ &PartialD; z 2 < 0 ]]>，和(e)在局部极大点上 &PartialD; θ &PartialD; z = 0 . ]]>
通过下面对优选实施例的具体说明，同时参考附图，本发明其它特征、方面和优点会变得越来越明显。
附图说明
图1是轴向辐流式涡轮第一个实施例中转子的示意侧视图。
图2是轴向辐流式涡轮第一个实施例中转子的示意平面图。
图3是轴向辐流式涡轮转子中传统叶片的示意解析图，示意性地示出了涡轮运转期间在吸口面上的压力分布模拟结果。
图4是本实施例的轴向辐流式涡轮转子叶片的示意解析图，示意性地示出了涡轮运转期间在吸口面上的压力分布模拟结果。
图5是轴向辐流式涡轮第一个实施例的变化例中转子的示意侧视图。
图6是轴向辐流式转子中的水压损失与前缘的局部极大点M的竖直位置之间关系的曲线图。
图7是根据第一个实施例的单个转子叶片的放大平面图。
图8是转子20的水压损失和介于轮边连结点和局部极大点之间的周向距离之间关系的曲线图。
图9是根据第一个实施例的单个转子叶片的放大平面图。
图10是转子20的水压损失和介于轮边连结点和轮冠连结点之间的周向距离之间关系的曲线图。
图11是从第一个实施例的另一变化例中转子的外圆周侧方向上看的轴向辐流式涡轮转子的侧视图。
具体实施方式
下面参考图1至11对本发明的第一个实施例进行说明。
图1和图2是轴向辐流式涡轮第一个实施例中转子的示意图。图1是从转子地周向侧上看到的转子的侧视图，图2是从轮冠侧方向看到的在除去轮冠的情况下转子叶片的平面图。
轴向辐流式涡轮转子20包括一个轮冠22、多个转子叶片21和一个轮边23。轴向辐流式涡轮的旋转轴28(心轴)在轮冠22的中心处被连结。多个转子叶片21周向排列在轮冠22和轮边23之间。换句话说，轮边23通过叶片21与轮冠22同轴相连。每个叶片21的外端被称为前缘24，在涡轮运行期间水从此处流入。轴向辐流式涡轮转子20被驱动并围绕旋转轴线在涡轮运行过程中朝涡轮方向旋转，所述旋转轴线对应于旋转轴28的中心线CL。叶片21的前缘(进口边)24形成为曲线27，该曲线在涡轮方向上，即涡轮运行时的旋转方向上凸出。在形成为曲线27的前缘24上，在轮边侧根部25(被称为前缘24与轮边23连结处的轮边连结点)和轮冠侧根部26(被称为前缘24与轮冠22连结处的轮冠连结点)之间存在一个局部极大点M。局部极大点M是这样一个点，即从轮边连结点到此点处的周向距离设定为局部最大化。在本实施例中，在涡轮方向上，从轮边连结点25到前缘24上的局部极大点M的周向距离最大。前缘24从轮边连结点25相对于直线SL向涡轮旋转方向倾斜，该直线SL连接在轮边连结点25和轮冠连结点26之间。
引入圆柱坐标系可以进一步进行详细说明。利用了r，θ和z作为参数的圆柱坐标系可以被引入到图1所示的实施例中，这样，
(a)以旋转轴28的旋转中心线(旋转轴线)CL为z轴，轮冠22一侧设定为正向，和
(b)θ的正向设定为涡轮方向，即涡轮运行期间的旋转方向。
如果将本实施例的前缘24投影到具有固定半径r的圆柱曲面上，那么在接近轮边连结点25处(轮边侧)前缘24的投影轮廓满足
&PartialD; 2 θ &PartialD; z 2 < 0 . ]]>
另外在轮边连结点25处的z值设定为z＝0，这表示将轮边连结点25设定为z轴原点。这样，在轮冠连结点26处的z值设定为z＝B，前缘24的投影轮廓的z值在0＜z＜B的范围内满足
&PartialD; θ &PartialD; z = 0 ]]>
换句话说，当圆柱坐标系的原点设定在轮边连结点25处的旋转轴28上时，在两端之间，前缘24的轮廓上有一个点满足上述公式，该点介于轮边连结点25和轮冠连结点26之间(但不包括这两个点)。在前缘24上满足上述公式的点就是前缘24的局部极大点M。
在图1和图2中，附图标记29和30分别表示转子叶片21的压力面和吸口面。
众所周知，在传统的轴向辐流式涡轮转子中前缘形成为一个曲线。这些传统轴向辐流式涡轮转子的前缘只有单调弯曲的轮廓。在涡轮运行期间当轴向辐流式涡轮转子转动时，从前缘流来的水倾向于沿着前缘的轮廓有一水流量。因此，现有技术中前缘单调弯曲的轮廓会使轮冠侧的水流流向轮边侧，或者轮边侧的水流流向轮冠侧，从而导致产生二次流。
另一方面，包括具有如前述图1和图2中构形的转子叶片21的本实施例轴向辐流式涡轮20被构形成在轮边连结点25和轮冠连结点26之间具有前缘24局部极大点M，从轮边侧流向轮冠侧的水流和从轮冠侧流向轮边侧的水流在叶片21表面被削弱。因此，本实施例可以减少二次流的产生，并提高水压效率。
图3是用于轴向辐流式涡轮转子的传统叶片的示意解析图，示意性地示出了涡轮运行期间吸口面上压力分布的模拟结果。
在图3中，附图标记7是叶片，13是前缘，14是轮边(轮边侧根部)，15是轮冠(轮冠侧根部)，17是吸口面。在图3中，SFL表示水流线路(流线)，EP表示等压线。在这个传统的叶片7中，前缘13从轮边侧14到轮冠侧15以曲线形式向涡轮方向单调倾斜。
如图3所示，压力分布绕“X”区域发生变形，这表示在“X”区域由于前缘13的单调弯曲轮廓而产生了流向轮边侧根部14的水流。在“X”区域流向轮边侧根部14的水流就对应于二次流。
图4是本实施例的轴向辐流式涡轮转子的叶片的示意解析图，示意性地示出了涡轮运行期间吸口面上压力分布的模拟结果。在图4中，和图1与图2中相同的结构特征用相同的附图标记表示。SFL表示水流线路(流线)，EP表示等压线。转子叶片21的前缘24形成为具有前缘24局部极大点M的曲线27。
如图4所示，在图3中接近轮边侧根部14的前缘13处所发现的压力变形没有出现。这表示在不同于水流线SFL的方向上很难产生水流，结果减少了二次流。在吸口面上二次流的减少则可以提高轴向辐流式涡轮转子的水压效率。尤其是，由于在吸口面30那一侧没有压力变形，所以可以提高轴向辐流式涡轮局部负载运行时的效率。
在图1和图2所示的实施例中，连结在轮边连结点25和轮冠连结点26之间的直线SL平行于旋转轴(旋转轴线)28的旋转中心线CL。线SL也可以不必平形于CL。这可以优选取决于例如涡轮容量(输出量)的条件而进行确定。图5是第一个实施例的变化例，示出了线SL不平形于旋转轴线的情形。在图5中，与图1和图2中相同的元件用相同的附图标记表示。省略了与图1和图2中相同元件的详细描述。
如图5所示，在此变化例中，连结在轮边连结点25和轮冠连结点26之间的直线SL与心轴(旋转轴)28的旋转轴线CL不平行。在这样的构造中，与图4一样，在吸口面30压力分布中没有发现变形，从而可以减少二次流的产生。
在这个实施例中，如前所述，转子叶片21的前缘24的形状形成为一个曲线27，该曲线在涡轮方向上凸出。在形成为曲线27的前缘24上，局部极大点M位于轮边连结点25和轮冠连结点26之间，在涡轮方向上从轮边连结点25到此局部极大点的周向距离最大。前缘24相对于直线SL从轮边连结点25向涡轮方向倾斜，此直线SL连接在轮边连结点25和轮冠连结点26之间。
如图1、2、4和5所示，前缘24的局部极大点M位于轮边连结点25和轮冠连结点26之间。下面说明关于局部极大点M在竖直方向上的位置，即在圆柱坐标系中局部极大点M的z值与水压损失之间的关系。
图6是表示轴向辐流式转子20的水压损失与前缘24的局部极大点M的竖直位置之间关系的曲线图。横轴表示局部极大点M的竖直位置P(z)，而竖轴表示水压损失。
在图6中，也考虑用圆柱坐标系。z等于零的原点z设在轮边连结点25处，而轮冠连结点26的z值设定为B。
如图6所示，前缘的局部极大点M的位置P(z)可以优选在
0.25B≤P(z)≤0.75B的范围内，以降低轴向辐流式涡轮转子20的水压损失。
然后，在下面描述在相似圆柱坐标系中前缘的局部极大点M的周向位置。
图7是图2所示平面图中单个转子叶片21的放大平面图。在图7中省去了转子叶片的后缘侧。在图7中，附图标记O表示旋转轴(心轴)28的旋转轴线CL，Q表示前缘24的轮边连结点25的位置。和图2中相同的元件用相同的附图标记表示，并省略了对相同元件的描述。尽管在图2中直线SL平行于旋转中心线CL，但是图7并不局限于此。
在图7中，原点设在点CL(也被称为O)处。涡轮方向设定为θ的正向。θ的起点设定在轮边连结点25，即点Q的方向上，该起点表示θ等于零的方向。在前缘24的局部极大点M处的θ值设定为θ₁。
图8是表示转子20的水压损失和θ₁之间关系的曲线图，θ₁表示前缘24的局部极大点M的周向位置。换句话说，θ₁是线OQ和线OM之间的夹角，它可以在垂直于旋转轴线CL的平面上确定。在图8中，Zr表示图1、2或5中的叶片21的数目。
如图8所示，在轮边连结点25，即位置Q处设定为0的角θ₁可以优选在 1 32 360 Zr ≤ θ 1 ≤ 1 4 360 Zr ]]>度的范围内，以降低轴向辐流式涡轮转子20中的水压损失。
如图5所示，连结在轮边连结点25和轮冠连结点26之间的直线SL可以与心轴(旋转轴)28的旋转轴线CL不平行，下面描述改变SL的影响。
图9是图2所示平面图中单个转子叶片21的放大平面图。图9中省略了转子叶片的后缘侧。在图9中，附图标记O表示旋转轴(心轴)28的旋转轴线CL，Q表示前缘24的轮边连结点25的位置。R表示前缘24的轮冠连结点26的位置。和图2中相同的元件用相同的附图标记表示，并省略了对相同元件的描述。尽管在图2中直线SL平行于旋转中心线CL，但是图9并不局限于此。
在图9中，原点设在点CL(也被称为O)处。涡轮方向设定为θ的正向。θ的起点设定在轮边连结点25，即点Q的方向上，该起点表示θ等于零的方向。在前缘24的轮冠连结点26，即点R处的θ值设定为θ₂。
图10是表示转子20的水压损失和θ₂之间关系的曲线图，θ₂表示前缘24的轮冠连结点26的周向位置。换句话说，θ₂是线OQ和OR之间的夹角，它可以在垂直于旋转轴线CL的平面上确定。在图10中，Zr表示图1、2或5中的叶片21的数目。
如图10所示，在轮边连结点25，即位置Q处设定为0的角θ₂可以优选在 | θ 2 | ≤ 1 4 360 Zr ]]>度，或者表示为 - 1 4 360 Zr ≤ θ 1 ≤ 1 4 360 Zr ]]>度的范围内，以降低轴向辐流式涡轮转子20中的水压损失。
如上所述，在本实施例中，前缘24的局部极大点M定位在轮边连结点25和轮冠连结点26之间。因此，参照图9与图10，局部极大点M的周向位置θ₁和轮冠连结点26，即点R的周向位置θ₂之间的关系一般为
θ₁＞θ₂
但是，本实施例即使在θ₁≤θ₂的情况下仍可以应用。
下面将参照图11说明可以应用于上述情况的本实施例的另一个变化例。
图11是从转子的外圆周侧方向上看到的轴向辐流式涡轮转子的侧视图。在图11中，和图1、2、4和5中相同的元件用相同的附图标记表示，并不再对相同元件进行详细描述。
在这个变化的实施例中，在介于轮边连结点25和轮冠连结点26之间的叶片21前缘24上存在局部极大点M。前缘24的局部极大点M是这样一个点，即在涡轮方向上，从轮边连结点25到此点的周向距离设定为局部最大化。另外，在前缘24上局部极大点M的轮冠22那一侧上存在一个前缘局部极小点SM1。局部极小点SM1是这样一个点，即在涡轮方向上，从轮边连结点25到此点的周向距离设定为局部最小化。圆柱坐标系可以被引入这个变化的实施例中，这样
(a)旋转轴28的旋转中心线(旋转轴线)CL设定为z轴，此处轮冠22一侧设定为正向，和
(b)θ的正向设定为涡轮方向，即涡轮运行时的旋转方向。
在这个实施例中，如果将前缘24投影到具有固定半径r的圆柱表面上，前缘24的投影轮廓构形成从轮边连结点25在θ的旋转方向上凸出，并在前缘24的局部极大点M和局部极小点SM1之间有一个与θ有关的拐点。前缘24的投影曲线构形成这样的曲线，该曲线从拐点到轮冠22一侧在旋转方向上凹进。换句话说，前缘24的投影轮廓满足
在局部极大点M处 &PartialD; θ &PartialD; z = 0 ]]>并且 &PartialD; 2 θ &PartialD; z 2 < 0 , ]]>和
在局部极小点SM1处 &PartialD; θ &PartialD; z = 0 ]]>并且 &PartialD; 2 θ &PartialD; z 2 > 0 . ]]>
利用这样的构形，轮冠连结点26(也指附图标记R)的周向距离可以制造成比前缘24的局部极大点M的周向距离大。以这种改进方式，当叶片21如图4所示时，防止了在叶片21的吸口面30上的压力变形，并减少了二次流。在吸口面上二次流的减少可以提高轴向辐流式涡轮转子的水压效率。
从此处公开的本发明的详细说明和具体实施例考虑，对于本领域的技术人员来说，很显然本发明可以有其它的实施例。