[发明专利]水力涡轮

说明书

一种水力涡轮，包括：具有叶轮(12)的转子，其由定子(11)同心地包绕，由此叶轮(12)包括围绕转子轴线以环布置和分布的多个叶轮叶片(16)，且各个叶轮叶片(16)在叶轮冠部(17)和叶轮带部(18)之间延伸；由此定子(11)包括围绕转子轴线以环布置和分布的多个导向导叶(15)，且各个导向导叶(15)在上定子环(19)和下定子环(20)之间延伸；且由此预定空隙(C)至少设在叶轮带部(18)和下定子环(20)之间。所述叶轮(12)的所述叶轮叶片(16)之间的无导叶间隙(VG)中的压力脉动的充分地减小通过充分地增大所述预定空隙(C)而实现。

技术领域

本发明涉及水力机器技术，尤其是水力涡轮。

背景技术

当设计水力涡轮时，需要同时达到多个目的。效率表现为主要目的。然而，延伸操作范围和确保机器在稳定性和安全性方面的良好性能变得越来越重要。例如，客户现在需要得到涡轮坑中的低振动水平，因为高强度振动可破坏机器。

这些振动由结构对来自于转子(叶轮(runner))和定子(RSI)之间的相互作用的水力激励的机械响应引起。

图1作为示例示出了弗朗西斯(Francis)类型的水力涡轮的主要部分。图1的水力涡轮10包括具有叶轮12和涡轮轴12a的垂直转子。叶轮12包括围绕转子轴线分布成环的多个叶轮叶片16。转子12、12a由定子11同心地包绕，定子11布置在转子12、12a和包绕的蜗壳13之间。定子11配备有多个固定的和可动的导向导叶15。导向导叶15引导水流，水流穿过蜗壳13以周向方式供应到叶轮叶片15上，以便将叶轮12投入旋转运动。水沿轴向方向穿过引流管14离开叶轮12。

图2中详细示出了定子11关于叶轮12的位置(图1中的虚线圈)。定子11的导向导叶15在上定子环19和下定子环20之间沿垂直方向延伸。叶轮叶片16在叶轮12中在叶轮冠部(crown)17和叶轮带部(band)18之间延伸。叶轮带部18和包绕的下定子环20之间存在预定空隙C。

现在，在所谓的无导叶间隙VG中，叶轮叶片16的在导向导叶15前面的通道尤其在高水头泵涡轮的情况下产生局部振荡压力场(见图3中的压力脉动22)。该动态压力场主要归因于不同频率下展开的导向导叶15和叶轮叶片16的轮廓的任一侧上的压力变化。

减小无导叶间隙VG中的该振荡压力场(或压力波动水平)对于水力机器的设计者和制造者来说是连续的挑战，但存在很少技术来终止该挑战。

文献WO 2008004877 A1公开了一种反动(reaction)类型的水力涡轮，诸如，弗朗西斯或卡普兰(Kaplan)涡轮，其包括转子和包绕的壳体，在转子和壳体之间具有密封器件。在该类型的涡轮中，存在的问题在于大部分损耗与密封泄漏相关。通常使用简单的迷宫式密封件，但它们需要较大的空隙且所以具有较大的损耗。在该背景下，可以说重要的是提供水力涡轮密封系统，其使得有可能使空隙远小于当前的迷宫式和其他常规的密封设计，以便尤其在高水头弗朗西斯涡轮中获得效率改善。提出的密封器件包括刷式密封件，其位于离转子轴线一定径向距离处，其是转子的最大径向大小的主要部分。本公开内容针对以创造性、容易设置和低成本的解决方案来极大地降低波动水平。

文献EP 0565805 A1公开了一种用于控制反动式水力涡轮中的水力压力和功率的脉动的系统。该系统包括用于在扩散器弯头处引入额外的受控制的脉动水流的器件，其一起地或备选地由以下组成：a)扩散器内的在第一收缩位置和第二延伸位置之间的至少一个可动本体；b)至少一个辅助管，其明显平行于扩散器，且连接到具有其自身的入口和出口孔口的所述扩散器上，入口开口定位在由阀控制的扩散器弯头的端部处，且出口开口定位在测压盆附近；所述可动本体和阀以一种方式受控制，以便使扩散器的容积变化来将扩散器中的压力脉动减小到最小，且保持涡轮转子的流、间隙、转矩和功率恒定。