用于涡轮的弗兰西斯型转轮及包括此类转轮的能量转换设备.pdf

用于涡轮的该弗兰西斯型转轮包括冠部(3)、带(4)和叶片(2A,2B)，叶片的数量不是素数。这些叶片制造为一件，并且在冠部与带之间和前缘(6A,6B)与后缘(7A,7B)之间延伸，各个后缘具有在其整个长度上面向上游的其凹面。此外，第一叶片(2A)围绕转轮的中心轴线(X1)均匀分布，数量等于叶片(2A,2B)总数的除数。这些第一叶片中的各个具有其后缘(7A)与冠部的附接点(PA)，其相比于同样为转轮的部分的第二叶片(2B)的后缘(7B)与冠部的附接点(PB)降低。此外，一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过第一叶片的后缘与冠部的附接点的圆的半径(RPA)与另一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过同一叶片的后缘与带(4)的附接点(QA)的圆的半径(RQ)之间的比小于0.15。

1.   一种用于涡轮的弗兰西斯型转轮(1)，该转轮包括冠部(3)、带(4)和叶片(2A,2B)，其数量不是素数，其制造为一件，并且在所述冠部与所述带之间，以及在前缘(6A,6B)与后缘(7A,7B)之间延伸，各个后缘具有在其整个长度上面向上游的其凹面，其中：围绕所述转轮的中心轴线(X₁)均匀分布且数量等于所述叶片(2)的总数的除数的第一叶片(2A)具有它们的后缘(7A)与所述冠部(3)的附接点(P_A)，其相比于第二叶片(2B)的所述后缘(7A)与所述冠部的附接点(P_B)降低；并且一方面定心在所述转轮的中心轴线(X₁)上、垂直于该轴线且穿过第一叶片(2A)的所述后缘(7A)与所述冠部的所述附接点(P_A)的圆(C_PA)的半径(R_PA)与另一方面定心在所述转轮(1)的中心轴线(X₁)上、垂直于该轴线且穿过同一叶片的所述后缘与所述带的附接点(Q_A)的圆(C_Q)的半径(R_Q)之间的比小于0.15。

2.   根据权利要求1所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，一方面定心在所述转轮(1)的中心轴线(X₁)上、垂直于该轴线且穿过第一叶片(2A)的所述后缘(7A)与所述冠部(3)的所述附接点(P_A)的所述圆(C_PA)的半径(R_PA)与另一方面定心在所述转轮(1)的中心轴线(X₁)上、垂直于该轴线且穿过同一叶片的所述后缘(7A)与所述带(4)的所述附接点(Q_A)的所述圆(C_Q)的半径(R_Q)之间的比小于0.1并且优选小于0.05。

3.   根据前述权利要求中的一项所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，一方面定心在所述转轮(1)的中心轴线(X₁)上、垂直于该轴线且穿过第一叶片(2A)的所述后缘(7A)与所述冠部(3)的所述附接点(P_A)的所述圆(C_PA)的半径(R_PA)与另一方面定心在所述转轮(1)的中心轴线(X₁)上、垂直于该轴线且穿过第二叶片(2B)的所述后缘(7B)与所述冠部(3)的所述附接点(P_B)的所述圆(C_PB)的半径(R_PB)之间的比小于0.75，并且优选包括在0.25到0.50之间。

4.   根据前述权利要求中的一项所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，所述后缘(7A,7B)与所有所述叶片(2A,2B)的带(4)的附接点(Q_A,Q_B)位于定心在所述转轮(1)的中心轴线(X₁)上且垂直于该轴线的同一圆(C_Q)上。

5.   根据前述权利要求中的一项所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，第一叶片(2A)的侧表面的面积(A_A)与第二叶片(2B)的侧表面的面积(A_B)之间的比包括在1.05到1.50之间，并且优选在1.25到1.50之间，并且更进一步优选为大约1.30。

6.   根据前述权利要求中的一项所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，所述第一叶片(2A)围绕所述中心轴线(X₁)的周期性高于所述第二叶片(2B)的周期性，并且优选至少两倍那样高。

7.   根据前述权利要求中的一项所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，所述叶片(2A,2B)的总数的周期性为2π/15，并且所述叶片(2A)的数量的周期性为2π/3或2π/5。

8.   根据权利要求1至权利要求5中的一项所述的用于涡轮的弗兰西斯型转轮，其特征在于，所述叶片(2A,2B)的总数的周期性为2π/12，并且所述第一叶片(2A)的数量的周期性为2π/3或2π/4。

9.   一种用于将液压能转换成电能或机械能的设备(100)，包括涡轮，其中所述涡轮包括如前述权利要求中的一项所述的弗兰西斯型转轮(1)。

用于涡轮的弗兰西斯型转轮及包括此类转轮的能量转换设备
技术领域
本发明涉及一种用于涡轮的弗兰西斯型转轮，并且涉及包括此类转轮的能量转换设备。
背景技术
弗兰西斯型转轮可配合于各种类型的液压机器，如涡轮、泵或涡轮泵。它们包括围绕中心旋转轴分布的叶片，并且在它们之间限定用于水流的管。这些转轮的叶片的几何形状限定为使得水流在其用于涡轮模式中时将旋转转矩给予转轮。
对用于涡轮的弗兰西斯型转轮的恒定专注在于控制穿过这些转轮的流动，以及针对最佳效率点和在完全和部分模式条件下对其优化。
改进弗兰西斯型转轮的操作的略微三角形的导叶的使用例如从US-A-4017211获知，导叶在叶片的出口端部处固定于冠部的底部，以转移来自叶片的出口流以消除任何旋流。该转轮结构伴有在冠部处添加导叶，并且这些导叶可产生流动中的一定间断，这使转轮的结构更复杂，并且是必须单独制造和组装的附加元件。
从EP-A-0930432获知的另一个解决方案在于通过在冠部附近将拐点添加至用于涡轮的弗兰西斯型转轮的所有叶片的后缘来修改它们。该叶片的几何形状使得有可能减小转轮上的机械应力，但导致了转轮下游的流动中的间断。此外，该叶片结构可提出将所有叶片配合在转轮的冠部上的问题，因为所有叶片的后缘至冠部的附接点集中到小区域中。
这些缺点在于，本发明更具体试图通过提出一种新型的用于涡轮的弗兰西斯型转轮来解决，其流动在最大效率点处和在完全和部分负载状态下得到优化，而并未添加附加构件，并且也没有引起配合到给定空间中的特定问题。
发明内容
为此，本发明涉及一种用于涡轮的弗兰西斯型转轮，该转轮包括冠部、带和叶片，叶片的数量不是素数，其制造为一件，并且在冠部与带之间以及在前缘与后缘之间延伸，各个后缘具有在其整个长度上面向上游的其凹面。根据本发明，围绕转轮的中心轴线均匀分布且数量等于叶片的总数的除数的第一叶片具有它们的后缘与冠部的附接点，其相比于第二叶片的后缘与冠部的附接点降低，而一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过第一叶片的后缘与冠部的附接点的圆的半径与另一方面定心在转轮的中心轴线上的、垂直于该轴线且穿过同一叶片的后缘与带的附接点的圆的半径之间的比小于0.15。
借助于本发明，第一叶片的存在允许待在中心部分中引导的流离开转轮的叶片，而不使用可产生间断的附加元件。因此，流可优化，并且可发生于转轮的出口侧上的任何湍振的压力可减小，因此改进涡轮效率。此外，转轮由第一叶片和第二叶片构成的事实使得将叶片焊接于冠部的操作更容易。在转轮的中心处的固体元件的比例不太大，并且这鼓励中心部分中的水在叶片的出口侧的引导。
根据本发明的有利但非强制的方面，考虑任何技术上允许的组合，此类弗兰西斯型转轮可并入以下特征中的一个或更多个：
一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过第一叶片的后缘与冠部的附接点的圆的半径与另一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过同一叶片与带的附接点的圆的半径之间的比小于0.1，并且优选小于0.05。
一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过第一叶片的后缘与冠部的附接点的圆的半径与另一方面定心在转轮的中心轴线上、垂直于该轴线且穿过第二叶片的后缘与冠部的附接点的圆的半径之间的比小于0.75，并且优选包括在0.25到0.50之间。
后缘与所有叶片的带的附接点位于定心在转轮的中心轴线上且垂直于该轴线的同一圆上。
第一叶片的侧表面的面积与第二叶片的侧表面的面积之间的比包括在1.05到1.50之间，并且优选在1.20到1.50之间，并且更进一步优选为大约1.30。
第一叶片围绕中心轴线的周期性高于第二叶片的周期性，并且优选至少两倍那样高。
叶片的总数的周期性为2π/15，并且第一叶片的数量的周期性为2π/3或2π/5。作为备选，叶片的总数的周期性为2π/12，并且第一叶片的数量的周期性为2π/3或2π/4。
本发明还涉及一种用于将液压能转换成电能或机械能的设备，其包括装备有如上文提到的转轮的涡轮。
附图说明
从根据其原理的法拉西斯涡轮转轮和安装两者的一个实施例的以下描述，本发明将更好理解并且其其它优点将变得更明显地显而易见，该以下描述仅经由实例给出并且参照附图作出，在该附图中：
图1为根据本发明的设备的轴向截面中的示意图；
图2为从图1的设备的弗兰西斯涡轮转轮下方的透视图，该转轮为根据本发明的转轮；
图3为图2的转轮的子午线截面。
具体实施方式
图1中绘出的设备100包括弗兰西斯型涡轮101，其转轮1旨在通过来自未绘出的集水区的水E的强制流动来设置成围绕垂直轴线X₁旋转。在图1中，为了使附图清楚，转轮1描绘为从外侧看。轴103支承转轮，并且联接于交流发电机104，交流发电机104将交变电流输送至未绘出的电网。因此，设备允许流E的液压能转换成电能。
设备100可包括从相同集水区供给的若干涡轮101。
作为备选，轴103可联接于机械组件，在该情况下，设备100将流E的液压能转换成机械能。
作为备选，涡轮101为涡轮泵，在该情况下，其还可以以泵模式操作，即，以其中转轮1由交流发电机104沿与其在涡轮泵以涡轮模式操作时旋转的方向相反的旋转方向转动的模式。在泵模式中，交流发电机104接着用作马达，以使一定量的水转移至并未绘出的集水区。水接着沿与图1中的箭头E相反的方向流动。在其中轴103联接于机械组件并且涡轮101为以泵模式操作的涡轮泵的备选形式中，转轮1由该机械组件驱动。
当涡轮泵以涡轮模式操作时，水闸门105将流E传递至转轮1。水闸门105在集水区与装备有调节流E的旋闸107的槽106之前延伸。轴管108沿流E的方向设在涡轮下游，以排出该流，并且使其返回流床、河流或下游的储存器。
图1中绘出的转轮1包括围绕转轮1的旋转中心轴线X₁分布的叶片2。冠部3设在转轮1的内部径向上部中，而带4界定叶片2的下部、径向部分和外部。因此，流管5限定在每对的两个相邻叶片2之间，并且该管由冠部3和带4界定。图1、2和3中绘出的转轮1的叶片2的总数为十五个，其中知道可存在不同叶片总数，其不是素数，如，12、18或24个叶片。
叶片2为两种，即，第一叶片2A和第二叶片2B。第一叶片2A的数量为叶片2的总数的除数，同样地，第二叶片2B的数量为叶片2的总数的除数。如叶片2B那样，叶片2A与彼此相同。叶片2A和2B围绕轴线X₁均匀分布，这通过叶片2A和2B的数量可除叶片的总数的事实而变得可能。
在实例中，转轮1包括五个第一叶片2A和十个第二叶片2B，其中连续的类似组均包括一个第一叶片2A和两个第二叶片2B。
如图3中所绘，第一叶片2A均包括前缘6A和后缘7A，而第二叶片2B均包括前缘6B和后缘7B。前缘6A和6B和后缘7A和7B在冠部3与带4之间伸展，而没有拐点。这些边缘的凹面在它们的整个长度上向上游面向流E。
前缘6A与冠部3和与带4的附接点分别表示为M_A和N_A。前缘6B与冠部3和与带4的附接点分别表示为M_B和N_B。前缘6A和6B具有相同几何形状，并且附接点M_A和M_B布置在定心在轴线X₁上且垂直于该轴线的同一几何圆上，并且其半径表示为R_N。同样地，附接点N_A和N_B布置在定心在轴线X₁上且垂直于轴线X₁的同一圆上，并且其半径表示为R_N。
后缘7A与冠部3和带4的附接点分别表示为P_A和Q_A。后缘7B与冠部3和带4的附接点分别表示为P_B和Q_B。附接点Q_A和Q_B布置在定心在轴线X₁上且垂直于轴线X₁的同一几何圆C_Q上，并且其半径表示为R_Q。
附接点P_A位于定心在轴线X₁上且垂直于轴线X₁的同一几何圆C_PA上，并且其半径表示为R_PA。
附接点P_B位于定心在轴线X₁上且垂直于轴线X₁的同一几何圆C_PB上，并且其半径表示为R_PB。
圆C_Q,C_PA,C_PB在图2中可见，而半径R_Q,R_PA和R_PB在图3中可见。
半径R_PA的大小选择成小于半径R_PB的大小。因此，叶片2A的附接点P_A定位成关于叶片2B的附接点P_B更接近轴线X₁，并且在其中使用转轮1的构造中降低。换言之，第一叶片2A使它们的附接点P_A降低并且比叶片2B的附接点P_B更接近轴线X₁。
叶片2A的几何形状使得它们将流E引导成更接近轴线X₁，因此使该流稳定。
将注意的是，第一叶片2A的侧表面的面积A_A大于第二叶片2B的侧表面的面积A_B。此外，第一叶片2A的侧表面的面积A_A与第二叶片2B的侧表面的面积A_B之间的比选择成使得其包括在1.05到1.50之间，并且优选在1.20到1.50之间。实际上，该比的大小有利的是大约1.30。
为了给与转轮1的第一叶片2A上的足够有效性，半径R_PA与半径R_Q之间的比选择成小于0.15。实际上，该比可选择成小于0.1，并且甚至小于0.05。
还有可能计划半径R_PA与R_PB之间的比小于0.75，并且优选包括在0.25到0.50之间。
此外，存在图2中绘出的第一叶片2A和第二叶片2B的备选方案的事实使得将叶片2焊接于冠部3的操作更容易，因为如果仅存在第一叶片2A，则焊接操作将极为困难，因为将存在焊接于小表面区域的很多叶片。
此外，第一叶片2A和第二叶片2B围绕转轮1的中心轴线X₁均匀地分布，使得有可能保持转轮1的静态平衡。在图2中，叶片2的总数的周期性为2π/15，并且第一叶片2A的数量的周期性为2π/5。该图仅示出了一个可能的选择，具有第一叶片2A的2π/3的周期性将同样可能。
作为备选，叶片的总数可为除15之外，并且例如等于9、12、18或24。第一叶片2A与第二叶片2B之间的分布接着改变。例如，在12个叶片的转轮的情况下，即，叶片2的总数的周期性等于2π/12的转轮，第一叶片2A的数量的周期性等于2π/3或2π/4。
第一叶片2A的数量的周期性选择成高于叶片2的总数的周期性，优选至少两倍那样高。