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CN102667138A - 用于佩尔顿水轮机转轮的分配组件以及包括这种分配组件的佩尔顿水轮机 - Google Patents

用于佩尔顿水轮机转轮的分配组件以及包括这种分配组件的佩尔顿水轮机 Download PDF

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CN102667138A
CN102667138A CN2010800582426A CN201080058242A CN102667138A CN 102667138 A CN102667138 A CN 102667138A CN 2010800582426 A CN2010800582426 A CN 2010800582426A CN 201080058242 A CN201080058242 A CN 201080058242A CN 102667138 A CN102667138 A CN 102667138A
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Abstract

所述分配组件(1)用于佩尔顿水轮机转轮(R)，包括具有部分圆环形状的分配管(20)以及多个喷射管(31-35)，所述喷射管(31-35)分布在转轮(R)的位置周围，以便将水注入水斗内。每个喷射管(31-35)连接到分配管(20)。分配组件(1)包括至少一个辅助管(310-340、350)，辅助管包括出口(340.2、350.2)和入口(340.1、350.1)，出口连接到喷射管(31-35)的内部部分，入口在所述喷射管(31-35)的入口和沿水流方向的前一喷射管(31-35)的入口(340.1、350.1)之间直接连接到位于所述相应的喷射管(31-35)上游的分配管(20)。

Description

用于佩尔顿水轮机转轮的分配组件以及包括这种分配组件的佩尔顿水轮机
技术领域
本发明涉及为佩尔顿水轮机转轮供应水的分配组件。本发明也涉及包括这种分配组件的佩尔顿水轮机。
背景技术
为了给佩尔顿水轮机转轮供应水，已知使用一种分配器，其包括大致为部分圆环形状的分配管和分布在转轮的位置周围的多个喷射管，以便将水柱喷射到其水斗内。分配管朝着每根喷射管引导水。每根喷射管连接到分配管，结果，在一方面的分配管与另一方面的喷射管之一之间局部分布水流。
在现有技术的分配组件中，分配管和每根喷射管具有带圆柱形部分的管状。在其内流动的水沿着弯曲的路径，水沿着该路径承受离心加速度。这些离心加速度在喷射管弯曲部的内壁和外壁之间产生压力梯度。位于内壁和外壁附近的水仅仅略微承受或者根本不承受离心加速度，因为这些壁附近的流动速度低或者不存在。结果，喷射管区域内产生的压力梯度促使液体沿着外部曲线半径和内部半径之间的壁循环。主要沿着其喷射管流动的水因此具有横切喷射管的纵向的二次流。
图1显示了在分配管和喷射管之间的交叉部的上游测量的速度剖面。该“上游”速度剖面整体上一致。图2显示了沿着横切喷射管的主要方向并且位于喷射管与分配管的交叉部的下游的平面在喷射管内测量的速度剖面。由于上述二次流，该“下游”速度剖面明显不对称。更具体地说，在一方面为平均速度Vm与另一方面为最小速度Vinf或最大速度Vsup之间的这种不对称或偏差大致为平均速度Vm值的50％。然而，速度剖面的这种不对称造成来自喷射管的水柱的变形，这减少了能得到的用于驱动佩尔顿水轮机的转轮的动能。
FR-A-2919355描述了佩尔顿机器，包括分配管和被安装为形成分配管的旁路的若干个喷射管。该佩尔顿机器还包括辅助管，辅助管共有的入口连接到形成分配管的入口的歧管。每根辅助管的出口连接到位于相关的喷射管上游的分配管。
然而FR-A-2919355的佩尔顿机器具有与上述的那些相同性质的缺点。而且，辅助管的结构使得分配组件的构造变得复杂。
发明内容
本发明的目的特别在于，通过提出能够将水的动能最大化地转换成转轮的机械能的分配组件来解决这些缺点。
为此，本发明涉及一种分配组件，用于为佩尔顿水轮机转轮供应水，所述分配组件包括：
整体上具有部分圆环形状的分配管，所述分配管的回转轴与所述转轮的旋转轴基本上平行；
多个喷射管，分布在所述转轮的位置周围，所述喷射管被布置成将水喷射到所述转轮的水斗内，每个喷射管连接到所述分配管；
至少一个辅助管。
所述分配组件的特征在于，所述辅助管包括出口和入口，所述出口连接到所述喷射管的内部部分，所述入口在所述喷射管的入口和沿水流方向的前一喷射管的入口之间直接连接到位于所述相应的喷射管上游的分配管。
在辅助管内流动的水使得能够平衡在分配管和相应的喷射管内的流动速度的剖面。由于本发明，喷射管喷射稍微分散的水滴，具有相对于现有技术降低的低二次流速度。
通过单独考虑或根据所有技术上允许的组合考虑，根据本发明的其它有利但选择性的特征有：
分配组件包括用于至少一个喷射管的辅助管，所述辅助管在所述分配管的赤道面附近延伸；
分配组件包括用于至少一个喷射管的两个辅助管，所述两个辅助管分别在所述分配管的赤道面的两侧延伸；
所述两个辅助管相对于所述分配管的赤道面对称地延伸；
至少一个喷射管包括渐缩状上游部分，并且至少一个辅助管的出口在所述渐缩状上游部分的下游连接到相应的喷射管；
所谓的入口角被包括在0°到90°之间，所述入口角形成在包括辅助管的入口的子午面内，并形成在与所述旋转轴垂直的径向和将所述辅助管的入口连接到所述分配管的中心轴的线段之间；
所谓的出口角被包括在0°到45°之间，所述出口角形成在与喷射方向正交并且包括辅助管的出口的平面内，并形成在所述分配管的所述赤道面和将所述辅助管的出口连接到相应的喷射管的中心轴的线段之间；
至少一个辅助管具有带圆形基底的圆柱形；
所述分配管的下游端部由连接到至少一个辅助管的端部喷射管延长，所述至少一个辅助管的入口位于所述分配管的外部部分，所述至少一个辅助管的出口位于端部喷射管的内部部分。
而且，本发明涉及一种佩尔顿水轮机，包括转轮，所述水轮机的特征在于包括上述分配组件。
附图说明
根据仅被提供为非限制性实例并参照附图实现的下文中的描述，本发明将更好理解，并且其优点也将显现，其中：
图1为如上所述的在现有技术的分配组件的喷射管和分配管之间的交叉部上游测量的速度剖面图；
图2为如上所述的沿着与喷射管的主要方向垂直并且位于喷射管与分配管的交叉部下游的平面在现有技术的分配组件的喷射管内测量的与图1相似的速度剖面图；
图3为在根据本发明的分配组件的喷射管中沿着图4或图5中的径向线III-III的与图2相似的所测得的速度剖面图，该测得的速度剖面与图2中所示的速度剖面处于相同的水平；
图4为根据本发明的分配组件的俯视图；
图5为图4的细节V的大尺度视图；
图6为图4中平面VI内的剖视图；
图7为沿着图5的平面VII的图4所示分配组件的一部分的剖视图；以及
图8为图4的细节VIII的大尺度视图。
具体实施方式
图4例示出用于为本身已知的佩尔顿水轮机转轮R供应水的分配组件或分配器1。转轮R整体上具有沿着轴Y的对称的回转，轴Y形成旋转轴，转轮R围绕该旋转轴旋转。轴Y与图4的平面垂直。
入口管E为分配器1带来由箭头FE表示的水流。入口管E位于分配器1的上游。在该应用中，术语“上游”和“下游”表示从入口管E到转轮R的水的大致流动方向。
分配器1包括分配管20和通过朝向转轮R从分配管20直接开孔形成的若干个喷射管31、32、33、34和35。进入分配管20的水流FE通过喷射管31到35离开。然后，每根喷射管31到35朝向转轮R的水斗排出水柱J34以及等同物。然后，水在通过至少一根出口管(未示出)排出之前由外壳5收集。
如图4中所示，分配管20整体上具有部分圆环形状，其回转轴与轴Y平行。术语“部分”表示圆环“成圆圈地”延伸经过小于350°的缩小的圆环角度A20。在当前情况下，圆环角度A20为大约280°。换言之，分配管20为“开口的”圆环形式。
分配管20包括若干个基本分配段。基本分配段沿着由圆环角度A20限定的圆弧并置。每个基本分配段被布置在两根相应的喷射管31到35之间。
每根喷射管31到35连接到分配管20。因此，来自入口管E的水流的一部分被分配管20分流，朝向每根喷射管31到35。因此，水从分配管20朝向每根喷射管31到35流动。
围绕转轮R所占据的位置分布喷射管31到35。围绕Y轴并且在转轮R的周围均匀地分布喷射管31到35。因此，在图4的实例中，两根相邻的喷射管例如喷射器34和35由大致72°的角度A3分隔开。该角度根据喷射器的数量分隔两根连续的喷射器，并且因此可与72°不同。
每根喷射管31到35被布置成将水喷射到转轮R的水斗内，这使得转轮R能够围绕其轴Y旋转。分配器1、转轮R以及入口管E共同形成佩尔顿水轮机的水力机构(hydraulic machine)。
下面关于图5更具体地描述喷射管34的结构。这种描述可直接用于喷射管31、32和33，因为这些喷射管与喷射管34相似。
喷射管34包括倾斜部分341、直线形区段342和喷嘴343。直线形区段342被布置在倾斜部分341的下游和喷嘴343的上游。
倾斜部分341执行旁路功能，这是因为该部分在分配管20上形成喷射管34的开孔。每个倾斜部分341或等同物构成将相应的喷射管31到34连接到分配管20上的旁路段，以便收集流入分配管20的水流的一部分。每个倾斜部分341或等同物限定用于相应喷射管34的渐缩状上游部分。更具体地说，倾斜部分具有渐缩的锥形。
形容词“倾斜”表示倾斜部分341中的由图5中的箭头F341表示的流动方向相对于分配管20内喷射管34处的流动的本地方向(local direction)倾斜，该本地方向由图5中的箭头F20表示。
直线形区段342执行引导功能，这是因为其将水从倾斜部分341引导到喷嘴343内。直线形区段342的纵向X342与在水斗中心处获得的转轮R的圆周相切，即该圆周的直径形成转轮R的佩尔顿直径。根据一个未示出的替换方式，每个喷射器不具有倾斜部分，并且由直接彼此连接的直线形部分和渐缩部分构成。
喷嘴343执行排出功能，这是因为其朝向转轮R的水斗排出水柱J34。分配器1上安装有一机构(未显示)，以便驱动喷嘴343和其他喷射管31、32、33和35的等效喷嘴的针头(未显示)。在水柱J34内，流速基本上沿着纵向X342延伸(extend)，如下文中详细描述的。
而且，分配组件1包括辅助管，图4中可见五根被标记为310、320、330、340和350的辅助管。管340的结构和操作在后文中关于图5到图7被更详细地描述。这种详细描述可直接用于辅助管310、320和330，这是因为后者与辅助管340相似。辅助管350的结构和操作在后文中关于图6也被更详细地描述。
辅助管340包括连接到喷射管34的内部部分的出口340.2，如图4或图5中所示。辅助管340包括连接到喷射管34上游的分配管的入口340.1。在这些图的实例中，辅助管340的入口340.1直接连接到喷射管34的上游。
术语“入口”和“出口”表示辅助管中水的流动方向，比如图5中由箭头F340表示的水流所使用的辅助管340。在图4到图8的实例中，术语“入口”和“出口”分别代表单个的入口开口和单个的出口开口。
副词“直接”意味着辅助管的入口位于在该辅助管的出口所连接到的喷射管的入口和沿水的流动方向的前一喷射管的入口之间。换言之，辅助管的入口连接到分配管的位于两根喷射管之间的部分，所述两根喷射管的入口在该辅助管的出口的上游靠得最近。
辅助管340在入口340.1和出口340.2之间直线形地延伸。辅助管340.2具有带圆形基底的圆柱形。辅助管340的圆形基底具有直径D340。直径D340取决于分配管20的几何形状。
具有较高速率F340的流动使得能够通过离心加速度有效地补偿喷射管34所产生的压力梯度。
入口340.1在此位于交叉部I34处。更具体地说，入口340.1在交叉部I34附近连接到分配管20。入口340.1的位置使得能够使用可在分叉式分配管20的分叉部分处获得的高压。
在该应用中，形容词“内部”和“外部”表示其有关零件的曲率。换言之，形容词“内部”和“外部”分别表示形成该零件诸如分配管或喷射管的边界的凸形区域和凹形区域。因此，喷射管34的内部边缘位于图4的右边，外部边缘位于图4的左边。
“横切(transverse)”表示一截面或平面，该该截面或平面横切在该截面或平面处的水的主要流动方向。因此，弯曲的部件(诸如分配管20)的横向截面垂直于与该零件的曲面局部相切的方向。
而且，出口340.2在倾斜部分341的下游连接到喷射管34的内部部分，形成用于喷射管34的渐缩状上游部分。由于倾斜部分341是渐缩的，因而压力降低，同时流体加速。
在图4到图6的实例中，出口340.2位于外壳5的外面，由于不需要刺穿外壳5，因此这有利于安装辅助管340。根据未示出的一个可替换方案，一个或多个辅助管穿过外壳。
在穿过入口340.1的子午面P340.1内，即在图7之间的平面内，入口340.1在分配管20的圆周上的位置由所谓的入口角A340.1确定，该入口角为几何角，而非定向角。子午面P340.1被定义为“子午”是因为其包括轴Y。
如图7中所示，在子午面P340.1内，入口角A340.1形成在垂直于轴Y的径向R340.1和将入口340.1连接到分配管的中心轴C20的线段之间，中心轴C20在图4中可见并且在分配管20的中心O20处与图7的平面P340.1相交。换言之，入口角A340.1为形成在入口340.1和赤道面P20之间的在中心O20处的角。赤道面P20与轴Y垂直并且与图4的平面平行；其被定义为“赤道”是因为其形成了整体上圆环形状的分配管20的对称平面。
在图4到图6的实例中，入口角A340.1为30°。实际上，入口角A340.1被包括在0°到90°之间。
在穿过出口340.2并且与纵向X342正交的平面内，诸如在包含图4或图5中的径向线III-III的平面中，出口340.2的位置由所谓的出口角确定，该出口角为几何角，而非定向角。出口角形成在分配管20的赤道面P20和将出口340.2连接到喷射管34的中心轴的线段之间，在这种情况下所述中心轴为纵向X342。
在图4到图7的实例中，出口角为40°。实际上，出口角被包括在0°到45°之间。
而且，在图4到图8的实例中，每个喷射管31到35连接到两个辅助管。如图6和图7中所示，分配组件1包括用于喷射管34的两个辅助管340.1和345.1，这两个辅助管分别在赤道面P20的两侧延伸。
辅助管345与辅助管340相对于赤道面P20对称地延伸。管340的几何上的描述因此可用于管345。辅助管345的入口345.1沿着轴Y位于入口340.1处。同样，辅助通道345的出口345.2沿着轴Y位于出口340.2处。
而且，形成辅助管345的特征的入口角和出口角分别与形成辅助管340的特征的入口角和出口角相同。
图8例示出延长分配管20的下游端部的端部喷射管25。端部喷射管25与喷射管31到34不同，这是因为端部喷射管25不形成分配管20的开孔或旁路。换言之，流进分配管20的下游端部的所有水通过端部喷射管35流出。
端部喷射管35也连接到两个辅助管，两个辅助管之一在图8中可见，附图标记为350。辅助管350的入口350.1位于分配管20的径向外部部分。换言之，定心在轴Y上并且入口350.1位于其上的圆C350.1的半径大于限定分配管20的中心轴的圆C20的半径，即部分圆环的主要半径。
辅助管350的出口350.2位于端部喷射管35的径向内部部分。换言之，定心在轴Y上并且出口350.2位于其上的圆C350.2的半径，该圆的半径小于中心轴C20的半径。
入口350.1和出口350.2的位置有助于优化施加到在端部喷射管35中流动的水上的离心加速度的补偿，，这产生在端部喷射管内沿着与直线形区段352的纵向X352垂直的平面测得均匀的速度剖面。
而且，分配管20在图4或图8中可见的子午面I35处结束。平面I35标记了圆环角A20的限制，即分配管20的下游端部。换言之，平面I35形成分配管20和端部喷射管35之间的交叉部。
图3的示图例示出在喷射管34内沿着径向线III-III测量的“下游”速度剖面，即在出口340.2处或在与图2中所示的速度剖面相同的水平面处。在一方面为平均速度Vm和另一方面为最小速度Vinf或最大速度Vsup之间的偏差为平均速度Vm值的大约8％。因此，该速度剖面基本上均匀。
因此，上面限定的几何参数诸如入口角和出口角使得能够确定辅助管，该辅助管有助于优化施加到在各个喷射管31到35内流动的水的离心加速度的补偿，这产生在喷射管内这沿着与直线形区段342的纵向X342垂直的平面测量的相对均匀的速度剖面。
因此，根据本发明的分配组件使得能够减少在每个喷射管31到35内的水流的动能损失，从而增大传递到转轮R的旋转机械能，这提高了水力机构的总输出。根据本发明的佩尔顿水轮机具有提高的总输出。
根据未示出的一个替换方案，一个或多个辅助管包括多个连接到辅助管的共用区段的入口开口和/或出口开口。使用术语“入口”和“出口”分别表示这组入口开口和这组出口开口。
根据未示出的一个替换方案，每个辅助管具有弯曲的形状。
根据未示出的一个替换方案，每个辅助管可具有带非圆形基底的圆柱形或者非圆柱形，比如棱柱形。
根据未示出的一个替换方案，并非根据本发明的分配组件的所有喷射管连接到辅助管，而是仅仅喷射管中的一些连接到辅助管。
根据未示出的又一替换方案，根据本发明的分配组件的一个或多个喷射管连接到单个的辅助管。
根据未示出的一个替换方案，根据本发明的分配组件的一个或多个喷射管连接到多于两个辅助管，比如四个。

Claims (10)

1.一种分配组件(1)，用于为佩尔顿水轮机转轮(R)供应水，所述分配组件(1)包括：
整体上具有部分圆环形状的分配管(20)，所述分配管(20)的回转轴与所述转轮(R)的旋转轴(Y)基本上平行；
多个喷射管(31-35)，分布在所述转轮(R)的位置周围，所述喷射管(31-35)被布置成将水喷射到所述转轮(R)的水斗内，每个喷射管(31-35)连接到所述分配管(20)；
至少一个辅助管(310-340、345、350)；
所述分配组件(1)的特征在于，所述辅助管(310-340、345、350)包括出口(340.2、345.2、350.2)和入口(340.1、345.1、350.1)，所述出口(340.2、345.2、350.2)连接到所述喷射管(31-35)的内部部分，所述入口(340.1、345.1、350.1)在所述喷射管(31-35)的入口和沿水流方向的前一喷射管(31-35)的入口(340.1、345.1、350.1)之间直接连接到位于所述相应的喷射管(31-35)上游的分配管(20)。
2.根据权利要求1所述的分配组件，其特征在于，包括用于至少一个喷射管的辅助管，所述辅助管在所述分配管的赤道面附近延伸。
3.根据权利要求1所述的分配组件(1)，其特征在于，包括用于至少一个喷射管(34)的两个辅助管(340、345)，所述两个辅助管(340、345)分别在所述分配管(20)的赤道面(P20)的两侧延伸。
4.根据权利要求3所述的分配组件(1)，其特征在于，所述两个辅助管(340、345)相对于所述分配管(20)的赤道面(P20)对称地延伸。
5.根据前述权利要求中任一项所述的分配组件(1)，其特征在于，至少一个喷射管(31-35)包括渐缩状上游部分(341、351)，并且至少一个辅助管(310-340、345、350)的出口(340.2、345.2、350.2)在所述渐缩状上游部分(341、351)的下游连接到相应的喷射管(31-35)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的分配组件(1)，其特征在于，所谓的入口角(A340.1；A345.1)被包括在0°到90°之间，所述入口角(A340.1；A345.1)形成在包括辅助管(310-340、345、350)的入口(340.1、345.1、350.1)的子午面(P340.1)内，并形成在与所述旋转轴(Y)垂直的径向(R340.1)和将所述辅助管(310-340、345、350)的入口(340.1、345.1、350.1)连接到所述分配管(20)的中心轴(C20)的线段(O20-340.1)之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的分配组件(1)，其特征在于，所谓的出口角被包括在0°到45°之间，所述出口角形成在与喷射方向正交并且包括辅助管(310-340、345、350)的出口(340.2、345.2、350.2)的平面(VII-VII)内，并形成在所述分配管(20)的所述赤道面(P20)和将所述辅助管(310-340、345、350)的出口(340.2、345.2、350.2)连接到相应的喷射管(31-35)的中心轴(X342)的线段之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的分配组件(1)，其特征在于，至少一个辅助管(310-340、345、350)具有带圆形基底的圆柱形。
9.根据前述权利要求中任一项所述的分配组件(1)，其特征在于，所述分配管(20)的下游端部(I35)由连接到至少一个辅助管(310-340、345、350)的端部喷射管(35)延长，所述至少一个辅助管(310-340、345、350)的入口(340.1、345.1、350.1)位于所述分配管(20)的外部部分，所述至少一个辅助管(310-340、345、350)的出口(340.2、345.2、350.2)位于端部喷射管(35)的内部部分。
10.一种佩尔顿水轮机，包括转轮(R)，所述水轮机的特征在于包括根据前述权利要求中任一项所述的分配组件(1)。
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