专利名称：水力机械的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有法兰西式水轮机的水轮机叶轮的水力机械，特别涉及由改良分瓣
叶轮的叶片形状来提高水轮机性能的技术。
背景技术：
安装在水力机械上的法兰西式水轮机，如图13所示，沿转子状叶轮101的周方向，等间隔地设置叶轮叶片102。图13中，103表示上冠，104表示下环，支撑叶轮叶片102。另外，图中箭头F表示水流，虚线C表示转动轴。 在这样的水力机械中，通过在水轮机运行时改变导流叶片(未图示)的开度，从而调整流入叶轮101的水量，改变发电量。因此，叶轮101内的流动随水量而变化较大，设计点中，从导流叶片流入的流动F沿着叶轮101的流线流动。 但是，流量变小后，叶轮内部的流动因叶轮转动产生的离心力而偏向下环104侧流动。而流量变大后，从导流叶片向叶轮101中心方向的能量变大，叶轮101的转动力所产生的离心力也变大，所以会偏向上冠103侧流动。不沿着此流线的流动称为二次流动，该二次流动发生后，叶轮IOI中会发生损失。如果能抑制大流量侧、小流量侧发生该二次流动，就能够提供大范围且叶轮损失小的叶轮101。 防止上述二次流动的方法有下述分瓣叶轮110 :如图14所示，在作为通常的叶轮叶片的长叶片lll之间安装作为短的叶轮叶片的短叶片112。图中箭头R表示水轮机运行时的转动方向。该分瓣叶轮110中，由短叶片112能够抑制非设计点中的流动偏离，降低损失，在图15所示的部分负载运行中，能够抑制偏向下环侧的流动。 上述分瓣叶轮110的长叶片111的后缘llla和短叶片112的后缘112a如图16所示，从下环104到上冠103构成直线状，向转动轴C呈放射状。 作为分瓣叶轮相关的技术，有短叶片后缘形状相关的技术。例如，短叶片的泵运行的前缘相对泵运行时的转动方向，使下环侧比上冠侧后退，目的在于提高泵运行中的空洞性能。例如有日本专利公报专利3782752号公报(以下称为专利文献1)。
另外，水轮机运行时的短叶片后缘的下环侧相对水轮机运行时的转动方向，比上冠侧后退，目的在于提高水轮机运行时或泵运行时的空洞性能。例如日本公开专利公报特开2003-65198号公报(以下称为专利文献2)。 具有上述分瓣叶轮的水力机械中，有以下问题。即，虽然能够抑制大流量或小流量时的二次流动，但在大的水量范围内，无法实现水轮机效率的提高。
发明内容
本发明的目的在于提供能够防止二次流动发生且能够在大的水量范围内提高水
轮机效率的水力机械。 为了解决上述课题，本发明的水力机械有下述结构。
(1)特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在 上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别 设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向水轮机运行时 的上述叶轮的叶轮方向形成为凸状。 (2)特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围； 长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支 撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且 分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动 轴的转动方向形成为凸状，连接上述后缘与上述下环的交点和上述转动轴的直线与连接从 上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的长度的中点和上述转动轴的直线所构成的角 度为9b，将9b的正方向作为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，9b>0° 。
(3)特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围； 长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支 撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且 分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动 轴的转动方向形成为凸状，连接上述后缘与上述上冠的交点和上述转动轴的直线与连接从 短叶片后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的中点和上述转动轴的直线所构成的角度为
e c，将e c的正方向作为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，e c > 0° 。 (4)特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围； 长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支 撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且 分别设置在上述多个长叶片之间；上述长叶片及上述短叶片与上述上冠及上述下环的接合 面上分别在流下方向有三角状的圆角结构部，上述短叶片的圆角结构部比上述长叶片的圆 角结构部大。 通过本发明，能够防止二次流动发生且能够提高大的水量范围内的水轮机效率。
图1是表示本发明第1实施方式涉及的安装有水轮机叶轮的水力机械的纵剖视 图。 图2是表示从水轮机出口侧看同一水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上的 投影图。 图3是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。 图4是表示从水轮机出口侧看本发明第2实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂 直于转动轴的平面上的投影图。 图5是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。 图6是表示同一水轮机叶轮中的小流量侧的叶轮内部流动的模式图。 图7是表示从水轮机出口侧看本发明第3实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂
直于转动轴的平面上的投影图。 图8是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。
图9是表示同一水轮机叶轮中的大流量侧的叶轮内部流动的模式图。 图10是表示从水轮机出口侧看本发明第4实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂
直于转动轴的平面上的投影图。 图11是表示同一水轮机叶轮效果的说明图。 图12是表示从水轮机出口侧看本发明第5实施方式涉及的水轮机叶轮时的、在垂 直于转动轴的平面上的投影图。 图13是表示水轮机叶轮一例中的叶轮内部流动的模式图。 图14是表示分瓣叶轮的一例的俯视图。 图15是表示从水轮机出口侧看同一水轮机叶轮时的、在垂直于转动轴的平面上 的投影图。 图16是表示同一分瓣叶轮的叶轮内部流动的模式图。 符号说明 10水力机械 20外壳 30发电机 40吸出管 50、60、70、80、90水轮机叶轮 51上冠 52下环 53、63、73、83、93长叶片 54、64、74、84、94短叶片 54a、64a、74a、84a、94a后缘
具体实施例方式
图i是表示本发明第1实施方式涉及的安装有法兰西式水轮机叶轮50的水力机 械10的结构的纵剖视图，图2是表示从水轮机出口侧看同一水轮机叶轮50时的、在垂直于 转动轴的平面上的投影图，图3是表示同一水轮机叶轮50的效率的分布图。
如图1所示，水力机械10具有外壳20，设置在该外壳20上部的发电机30，设置在 外壳20出口侧的吸出管40。外壳20设置有固定导叶21和导流叶片22。在外壳20内部， 自由转动地设置有形成在转动轴C周围的水轮机叶轮50，安装在发电机30的主轴31上。
水轮机叶轮50，其中心侧有上冠51，外周侧有下环52。如图2所示，包括长叶片 53，其沿转动轴C的周方向设置多个，其中心侧支撑在上冠51上，其外围侧支撑在下环52 上；短叶片54，其中心侧支撑在上冠51上，其外围侧支撑在下环52上，并且分别设置在长 叶片53之间。短叶片54在垂直于转动轴C的投影平面上，其后缘54a向水轮机运行时的 转动方向R形成为凸状。即，水轮机叶轮50的短叶片54的后缘54a的形状为曲线状，与中 央相比，上冠51侧及下环52侧向转动方向R后退。 短叶片54在投影平面中，连接后缘54a与下环52的交点P和转动轴C的直线Ll与 连接从后缘54a的上冠侧端部54b到下环侧端部54c为止的长度的中点Q和转动轴C的直 线L2所构成的角度为9 b。连接后缘54a与上冠51的交点S和转动轴C的直线L3与连接从后缘54a的上冠侧端部54b到下环侧端部54c为止的中点Q和转动轴C的直线L2所构成 的角度为9c。将9b、 9c的正方向作为水轮机运行时的转动方向R时，3。《9b《6° ， 且4°《e c《8° 。 在上述结构的水力机械10中，水轮机运行时如下述动作。即，通过水压铁管导入 外壳10内的水流，通过固定导叶11及导流叶片12流入水轮机叶轮50，由该水流转动驱动 水轮机叶轮50，通过主轴31驱动发电机30。而驱动水轮机叶轮50后的水经吸出管40向 外部的放水路流出。 这时，改变决定短叶片后缘形状的9b、 9c后，如图3所示，形成水轮机效率的分 布。这里的水轮机效率是设计流量、大流量、小流量的各效率的平均值。图3中，9b为4。、 9c为5。附近有效率最大点(100%)。8卩，为了提高从小流量到大流量的平均水轮机效率， 将短叶片出口形状设定为3。《eb《6°且4°《ec《8°的范围是有效的。图中各数 值表示相对最大点的相对效率。 如上述，本实施方式所涉及的水力机械10中，短叶片54的后缘54a向水轮机运行 时的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高从小流量到大流 量的平均水轮机效率。 图4是表示从水轮机出口侧看本发明第2实施方式涉及的水轮机叶轮60时的、在 垂直于转动轴的平面上的投影图，图5是表示同一水轮机叶轮60的效果的说明图，图6是 表示水轮机叶轮60中的小流量侧的叶轮内部流动的模式图。这些图中，与图1及图2功能 相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。 水轮机叶轮60中，设置长叶片63来取代长叶片53，设置短叶片64来取代短叶片 54。短叶片64在垂直于转动轴C的投影平面中，其后缘64a向水轮机运行时的转动方向R 形成为凸状。具体来说，短叶片64在投影平面中，连接后缘64a与下环52的交点P和转动 轴C的直线Ll与连接从后缘64a的上冠侧端部64b到下环侧端部64c为止的长度的中点 Q和转动轴C的直线L2所构成的角度为9 b。这时，将9 b的正方向作为水轮机运行时的 叶轮转动方向时，设定9b>0° 。 上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。这时，根据9 b的值 不同，水轮机效率发生变化。图5是由流动解析来比较改变9b时的设计点、小流量点、大 流量点中的水轮机效率相对值的图。在小流量的运行状态中，e b变大时水轮机效率提高， 但在大流量侧的运行状态中，9b变大时水轮机效率降低。在设计点中，效率相对9b的变 化量小于小流量侧和大流量侧。即，重视小流量侧效率时增大9b，即通过设定9b>0° 能够提高效率。 图6表示e b为3°时的小流量运行时的流动模式图。实线箭头F表示本实施方
式中的水流，虚线箭头w作为比较例表示eb为o。时的水流。可知，相对比较例的水流w
偏向下环52侧，水流F能够抑制上述偏流。通过抑制该偏流，能够提高水轮机效率。
如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片64的后缘64a向水轮机运行时 的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高小流量中的水轮机效率。 图7是表示从水轮机出口侧看本发明第3实施方式涉及的水轮机叶轮70时的、在 垂直于转动轴的平面上的投影图，图8是表示同一实施效果的说明图，图9是表示大流量侧的叶轮内部流动的模式图。这些图中，与图l及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略 其详细说明。 水轮机叶轮70中，设置长叶片73来取代长叶片53，设置短叶片74来取代短叶片 54。短叶片74在垂直于转动轴C的投影平面中，其后缘74a向水轮机运行时的转动方向R 形成为凸状。具体来说，连接后缘74a与上环51的交点S和转动轴C的直线L3与连接从后 缘74a的上冠侧端部74b到下环侧端部74c为止的中点Q和转动轴C的直线L2所构成的 角度为9c。这时，将9 c的正方向作为水轮机运行时的叶轮转动方向时，设定ec>o° 。
上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。这时，根据9 c的值 不同，水轮机效率发生变化。 图8是由流动解析来比较改变e c时的设计点、小流量点、大流量点中的水轮机效 率相对值的图。在大流量的运行状态中，9c变大时水轮机效率提高，但在小流量侧的运行 状态中，9c变大时水轮机效率降低。在设计点中，效率相对9 c的变化量小于小流量侧和
大流量侧。即，重视大流量侧效率时增大ec，即通过设定ec>o°能够提高效率。 图9表示e c为4°时的大流量运行时的流动模式图。实线箭头F表示本实施方 式中的水流，虚线箭头G作为比较例表示ec为o。时的水流。可知，相对比较例的水流G 偏向下环52侧，水流F能够抑制上述偏流。通过抑制该偏流，能够提高水轮机效率。
如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片74的后缘74a向水轮机运行时 的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高大流量中的水轮机 效率。 图10是表示从水轮机出口侧看本发明第4实施方式涉及的水轮机叶轮80时的、 在垂直于转动轴的平面上的投影图，图ll是表示同一实施效果的模式图。这些图中，与图 l及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。 水轮机叶轮80中，设置长叶片83来取代长叶片53，设置短叶片84来取代短叶片 54。短叶片84在垂直于转动轴C的投影平面中，其后缘84a向水轮机运行时的转动方向R 形成为凸状。具体来说，将从后缘84a的上冠侧端部84b到下环侧端部84c为止的半径方 向的长度作为A，将从后缘84a向水轮机转动方向形成为凸状的最大位置T到上冠侧端部 84b为止的长度作为B时，设定为0. 25A《B《0. 75A。 上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。这时，根据B值不同， 水轮机效率发生变化。 图11是表示改变B值时将小流量、设计点、大流量中的水轮机效率平均化时的水 轮机效率变化的图。可知，在0.25A到0.75A的范围内，效率提高。S卩，为了提高从小流量 到大流量的平均水轮机效率，通过将从短叶片84的后缘84a向水轮机运行时的转动方向R 形成为凸状的最大位置T到上冠侧端部84b为止的长度B设定为0. 25A《B《0. 75A的范 围内，能够在大范围内提高水轮机效率。 如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片84的后缘84a向水轮机运行时 的转动方向R形成为凸状，通过设定为满足规定条件的形状，能够提高从小流量到大流量 的平均水轮机效率。 图12是表示从水轮机出口侧看本发明第5实施方式涉及的水轮机叶轮90时的、 在垂直于转动轴C的平面上的投影图。这些图中，与图1及图2功能相同的部分用相同符号表示，省略其详细说明。 水轮机叶轮90中，设置长叶片93来取代长叶片53，设置短叶片94来取代短叶片 54。长叶片93的后缘93a中的与上冠51或下环52的接合面，即上冠侧端部93b及下环侧 端部93c上安装有三角形的圆角结构部95。无论哪个圆角结构部95、96都位于长叶片93、 短叶片94的流下方向。同样，短叶片94的后缘94a的上冠侧端部94b及下环侧端部94c 上设置有三角形的圆角结构部96。该圆角结构部95、96是焊接长叶片93及短叶片94和上 冠51或下环52时出现的圆角状部位。并且，短叶片94的圆角结构部96比长叶片93的圆 角结构部95大。 长叶片93及短叶片94最初制造在径向呈放射状的叶片形状，然后在由焊接等安
装上冠51和下环52时，通过设置圆角结构部95、96，能够制成向转动方向形成为凸状。这
样制作比将长叶片93的后缘93a和短叶片94的后缘94a制成曲线状要容易。 上述结构的水力机械10中，水轮机运行时与上述同样动作。短叶片94向转动方
向形成为凸状，所以能够与上述各实施方式一样提高水轮机效率。并且通过设定为满足规
定条件的形状，能够比较容易地调整重视小流量侧和重视大流量侧的形状。 如上述，本实施方式涉及的水力机械10中，短叶片94的后缘94a向水轮机运行时
的转动方向R形成为凸状，能够提高水轮机效率，同时其制作也变容易。 本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段，只要不脱离其宗旨，可以改变结构
要素具体化。并且，通过适当组合上述实施方式所述的多个结构要素，能够形成各种发明。
例如可以从实施方式的所有结构要素中删除几个结构要素。也可以适当组合不同实施方式
的结构要素。
权利要求
一种水力机械，其特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向水轮机运行时的上述叶轮的旋转方向形成为凸状。
2. 根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于，当将上述后缘与上述下环的交点和上述转动轴连接的直线与将从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的长度的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度为e b，将上述后缘与上述上冠的交点和上述转动轴连接的直线与将从上述后缘的上述上冠侧端部到上述下环侧端部为止的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度为9c，将上述9b、 9c的正方向设为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，上述短叶片在上述投影平面中具有3。《9b《6° ，且4°《ec《8° 。
3. 根据权利要求l所述的水力机械，其特征在于，当将从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的半径方向的长度作为A，将从向上述转动方向形成为凸状的最大位置到上述上冠侧端部为止的长度作为B时，上述短叶片在上述投影平面中具有0. 25A《B《0. 75A。
4. 一种水力机械，其特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动轴的转动方向形成为凸状，当将上述后缘与上述下环的交点和上述转动轴连接的直线与将从上述后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的长度的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度为e b，将e b的正方向设为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，e b > 0° 。
5. —种水力机械，其特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间，在垂直于上述转动轴的投影平面上，其后缘向上述转动轴的转动方向形成为凸状，当将上述后缘与上述上冠的交点和上述转动轴连接的直线与将从短叶片后缘的上冠侧端部到下环侧端部为止的中点和上述转动轴连接的直线所构成的角度为9 c，将e c的正方向设为水轮机运行时的上述叶轮的转动方向时，ec>o° 。
6. —种水力机械，其特征在于，包括叶轮，其中心侧有上冠，外围侧有下环，形成在转动轴周围；长叶片，其沿上述转动轴的周方向设置多个，其中心侧缘支撑在上述上冠上，其外围侧缘支撑在上述下环上；以及短叶片，其中心侧支撑在上述上冠上，其外围侧支撑在上述下环上，并且分别设置在上述多个长叶片之间；上述长叶片及上述短叶片与上述上冠及上述下环的接合面上分别在流下方向有三角状的圆角结构部，上述短叶片的圆角结构部比上述长叶片的圆角结构部大。
全文摘要
包括水轮机叶轮(50)，其中心侧有上冠(51)，外围侧有下环(52)，形成在转动轴(C)周围；长叶片(53)，其沿转动轴(C)的周方向设置多个，其中心侧支撑在上冠(51)上，其外围侧支撑在下环(52)上；短叶片(54)，其中心侧支撑在上冠(51)上，其外围侧支撑在下环(52)上，并且分别设置在多个长叶片(53)之间，在垂直于转动轴(C)的投影平面上，其后缘(54a)向水轮机运行时的水轮机叶轮(50)的转动方向形成为凸状。
文档编号F03B3/02GK101713364SQ200910175720
公开日2010年5月26日 申请日期2009年9月29日 优先权日2008年10月3日
发明者中村一幸, 中村高纪, 手塚光太郎, 榎本保之, 筱原朗 申请人:株式会社东芝