本發(fā)明大體上涉及用于水力裝置的渦輪機(jī)單元，并且更特別地涉及渦輪機(jī)單元的轂。

背景技術(shù)：

使用雙調(diào)節(jié)式渦輪機(jī)(如kaplan或bulb或deriaz渦輪機(jī))的水力裝置現(xiàn)在是廣為人知的并且被廣泛使用。在該類型的裝置中，渦輪機(jī)包括其上裝配有若干葉片的轂。由水流和葉片的相互作用導(dǎo)致的轂圍繞其縱向軸線的旋轉(zhuǎn)決定電力的產(chǎn)生，原因是轂適當(dāng)?shù)剡B接到發(fā)電機(jī)。此外，每個(gè)渦輪機(jī)葉片有利地樞轉(zhuǎn)地連接到轂從而圍繞大致垂直于轂延伸的軸線可旋轉(zhuǎn)。葉片相對(duì)于轂的角位置的調(diào)節(jié)用于改善能量轉(zhuǎn)換過程的效率。眾所周知，在葉片的內(nèi)邊緣和轂之間產(chǎn)生間隙。這樣的間隙產(chǎn)生有害影響是共識(shí)，原因是它們可能導(dǎo)致空化和/或可能會(huì)殺死或傷害魚類，原因是魚類可能通過間隙被吸入和引入。

專利us5947679解決這樣的問題，提供具有對(duì)魚類無害的特征的水力裝置的渦輪機(jī)。為此，具體參考第7欄第1-26行和圖21，us5947679提出在葉片和轂的表面之間插入凸起區(qū)域以遮蔽間隙。所以，所述專利的教導(dǎo)的目的是提供一種渦輪機(jī)，其中間隙的范圍減小到零或至少最小化到恒定值以改善魚的生存性。

參考圖1，示意性地示出了屬于現(xiàn)有技術(shù)的這樣的布置的幾何形狀，其在取決于角α的在凸起區(qū)域和葉片的內(nèi)邊緣之間形成的間隙的范圍或尺寸方面給出，所述角表示當(dāng)相對(duì)于轂旋轉(zhuǎn)時(shí)葉片的角位置。特別地，該圖形顯示凸起區(qū)域的外表面的形狀使得取決于葉片角α的間隙的范圍具有恒定值。

然而，在導(dǎo)致本發(fā)明進(jìn)行的研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在葉片的給定角位置處，葉片和轂之間存在的間隙范圍使得能夠控制接近轂的葉輪出口處的速度場(chǎng)。換句話說，可以用適當(dāng)?shù)拈g隙范圍改善速度場(chǎng)以減少引流管壓頭損失并改善渦輪機(jī)效率。此外，已獲得關(guān)于空化、壓力波動(dòng)、葉片扭矩、karman現(xiàn)象的其它優(yōu)點(diǎn)。

所以，本發(fā)明提出提供用于調(diào)節(jié)在轂和葉片的內(nèi)邊緣之間形成的間隙范圍的裝置，由此大大提高了渦輪機(jī)的性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是通過提供一種基本上根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求1限定的用于水力裝置的渦輪機(jī)的轂來解決前述技術(shù)問題。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基本上在從屬權(quán)利要求13中限定的用于水力裝置的渦輪機(jī)。

本發(fā)明的另一目的是提供一種基本上在從屬權(quán)利要求14中限定的水力裝置。

在相應(yīng)的從屬權(quán)利要求中限定本發(fā)明的優(yōu)選方面。

根據(jù)本發(fā)明的方面，該目的通過一種轂實(shí)現(xiàn)，所述轂限定縱向軸線并且配置成連接到至少一個(gè)葉片，其中所述轂至少包括凸起區(qū)域和/或中空區(qū)域，所述凸起區(qū)域或所述中空區(qū)域局部地形成于所述葉片的內(nèi)邊緣附近，所述轂還包括調(diào)節(jié)裝置，所述調(diào)節(jié)裝置配置成調(diào)節(jié)在所述凸起區(qū)域或所述中空區(qū)域和所述葉片的內(nèi)邊緣之間形成的間隙的范圍。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，所述轂包括上游和下游區(qū)域，其中所述凸起區(qū)域或所述中空區(qū)域在所述下游區(qū)域上形成。

根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選方面，所述轂樞轉(zhuǎn)地連接到所述葉片，所述葉片的角位置由在所述葉片的弦線和垂直于所述轂的縱向軸線的軸線a之間形成的角α限定，所述凸起區(qū)域限定外表面，所述外表面成形為使得對(duì)于所述葉片的至少兩個(gè)角位置，所述間隙的范圍是可變的。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述外表面成形為使得取決于所述葉片角α的所述間隙的范圍具有帶有最小值的曲線趨勢(shì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述外表面成形為使得取決于所述葉片角α的所述間隙的范圍具有包括第一恒定段和跟隨的第二遞增段的趨勢(shì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述外表面成形為使得取決于所述葉片角α的所述間隙的范圍具有遞增線趨勢(shì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述外表面成形為使得取決于所述葉片角α的所述間隙的范圍具有遞減線趨勢(shì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述外表面成形為使得取決于所述葉片角α的所述間隙的范圍具有至少帶有局部最小值和局部最大值的曲線趨勢(shì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述葉片在最小角αmin和最大角αmax之間可移動(dòng)。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，對(duì)于所述葉片的至少一個(gè)角位置，所述凸起區(qū)域的外表面成形為使得所述間隙的范圍沿著所述葉片的內(nèi)邊緣是可變的。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，對(duì)于所述葉片的至少一個(gè)角位置，取決于所述葉片的內(nèi)邊緣的所述間隙的范圍包括第一恒定部分和跟隨的第二遞增部分。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述調(diào)節(jié)裝置包括旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與所述轂的下游或上游區(qū)域關(guān)聯(lián)并且配置成圍繞所述縱向軸線相對(duì)于所述上游區(qū)域旋轉(zhuǎn)所述下游區(qū)域，反之亦然，從而相對(duì)于所述葉片移動(dòng)所述凸起區(qū)域。

根據(jù)本發(fā)明的另一優(yōu)選方面，所述調(diào)節(jié)裝置包括推出/撤回機(jī)構(gòu)，所述推出/撤回機(jī)構(gòu)與所述凸起區(qū)域關(guān)聯(lián)并且配置成從/在所述轂中推出/撤回所述凸起區(qū)域，從而調(diào)節(jié)所述間隙的范圍。

附圖說明

當(dāng)閱讀僅為了舉例的目的參考附圖給出的本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的以下非限制性描述時(shí)，本發(fā)明的目的、優(yōu)點(diǎn)和其它特征將變得更明顯，通過所述附圖可以使用相似的附圖標(biāo)記指代相似的元件，其中：

圖2示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的渦輪機(jī)單元的前視圖，所述渦輪機(jī)單元包括轂和連接到轂的一個(gè)葉片；

圖3示出了圖1的葉片的平面圖；

圖4和5示出了根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)單元，所述渦輪機(jī)單元包括具有凸起區(qū)域的轂和連接到轂的一個(gè)葉片；

圖6和7示出了表示取決于葉片的角位置α在葉片的內(nèi)邊緣和凸起區(qū)域之間形成的所得到的間隙的不同示例的圖；

圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的轂的示意性側(cè)視圖，特別示出了凸起區(qū)域的幾何形狀的示例；

圖9示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的渦輪機(jī)單元；

圖10示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施例的渦輪機(jī)單元。

現(xiàn)在將參考前述附圖描述本發(fā)明的示例性優(yōu)選實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

參考圖2，其大體上示出了根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的用附圖標(biāo)記100表示的渦輪機(jī)單元。渦輪機(jī)100包括配置成圍繞其縱向軸線h旋轉(zhuǎn)的轂單元10。轂的旋轉(zhuǎn)由與其連接的多個(gè)葉片實(shí)現(xiàn)，并且產(chǎn)生典型地在軸線h的方向上引導(dǎo)的水流。轂10與軸成一體，所述軸又連接到用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機(jī)(未圖示的部件)。該圖描繪了包括一個(gè)葉片3的轂10，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解，轂10可以包括圍繞其外徑均勻地間隔的多個(gè)葉片。更特別地，葉片3樞轉(zhuǎn)地連接到轂10，使得其角位置可以由在垂直于縱向軸線h的軸線a和葉片的弦線35之間形成的角α限定。在操作期間可以取決于正在進(jìn)行的過程的各種變量(例如水流和其速度場(chǎng))適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)葉片3的角。更特別地，葉片3可以典型地從其中葉片3幾乎與軸線a對(duì)準(zhǔn)的最小角αmin旋轉(zhuǎn)到最大角αmax。葉片3的俯視圖在下圖3中示出。葉片3樞轉(zhuǎn)地連接到轂(未示出)并且圍繞軸線r可旋轉(zhuǎn)。在作為非限制性示例在此描述的示例性實(shí)施例中，軸線r大致垂直于縱向軸線h；然而，將領(lǐng)會(huì)旋轉(zhuǎn)軸線r可以替代地沿著任何取向布置。葉片3包括前緣部分34，后緣部分32，外邊緣33，以及內(nèi)邊緣31。

現(xiàn)在參考后面的圖4，其示出了根據(jù)本發(fā)明的渦輪機(jī)單元2。渦輪機(jī)單元2包括轂1和與其連接的多個(gè)葉片3(為了清楚起見僅描繪了一個(gè)以確保繪圖的可讀性)。圖3的葉片3對(duì)應(yīng)于參考前面的圖2描述的葉片。

更特別地，轂1包括上游和下游區(qū)域12和13，以及對(duì)于每個(gè)葉片3，局部地形成于轂上并且鄰近葉片3的內(nèi)邊緣31的凸起區(qū)域6。在這里描述的示例性實(shí)施例中，凸起區(qū)域6布置在轂的下游區(qū)域13上。然而，以相同的方式，凸起區(qū)域可以替代地或附加地布置在上游區(qū)域12上，在葉片31的內(nèi)邊緣31附近。然后在葉片3的內(nèi)邊緣31和凸起區(qū)域6之間形成間隙。有利地，轂1包括調(diào)節(jié)裝置，其配置成對(duì)于葉片3相對(duì)于轂1的角位置α調(diào)節(jié)間隙的范圍。以該方式，實(shí)現(xiàn)了渦輪機(jī)的改善性能，該間隙取決于操作條件被調(diào)節(jié)。

此外，本發(fā)明不僅限于在與配置成調(diào)節(jié)間隙的范圍的調(diào)節(jié)裝置關(guān)聯(lián)的轂上形成凸起區(qū)域。替代地或附加地，轂可以設(shè)有中空或傾斜區(qū)域。以相同的方式，中空區(qū)域局部地形成于葉片3的內(nèi)邊緣31附近。這里描述的以下非限制性示例涉及僅包括凸起區(qū)域的轂。然而，在轂中空區(qū)域上實(shí)施的必要技能也被認(rèn)為在本領(lǐng)域技術(shù)人員的能力和慣用知識(shí)內(nèi)。特別地，可以有利地調(diào)節(jié)中空區(qū)域的深度以調(diào)節(jié)在中空區(qū)域和葉片的內(nèi)邊緣之間延伸的間隙。

因此，一般而言，本發(fā)明教導(dǎo)了提供具有凸起區(qū)域和/或中空區(qū)域的轂，每一個(gè)在葉片的內(nèi)邊緣附近局部地形成，凸起區(qū)域和/或中空區(qū)域在轂主體上分布在下游區(qū)域和/或上游區(qū)域上。

現(xiàn)在參考下圖5，其示出了在圍繞h軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)約45°之后的圖3的轂1。葉片3樞轉(zhuǎn)地連接到轂1以便圍繞軸線r可旋轉(zhuǎn)，在該非限制性示例中所述軸線大致垂直于轂1的外表面。所以葉片3可以布置成具有不同的角位置。如圖中清楚地所示，葉片3圍繞軸線r的旋轉(zhuǎn)包括沿著凸起區(qū)域6的不同部分的內(nèi)邊緣31的位移。根據(jù)第一示例性實(shí)施例，凸起區(qū)域6限定具有幾何形狀的外表面61，其成形為使得對(duì)于葉片的至少兩個(gè)角位置，在外表面61和內(nèi)邊緣61之間形成的間隙7的范圍是可變的。有利地，外表面61的布置使得對(duì)于由角α(未圖示)的值指示的葉片的每個(gè)角位置，對(duì)應(yīng)于在凸起區(qū)域6和葉片的內(nèi)邊緣31之間形成的間隙7的范圍。如上所述，間隙7的變化和因此通過調(diào)節(jié)裝置對(duì)其進(jìn)行的控制允許渦輪機(jī)單元2的微調(diào)以便使其水力性能最大化。取決于布置水力裝置的特定應(yīng)用情況，可能需要用于外表面61的不同類型的幾何形狀以便優(yōu)化過程的效率。

下圖6和7示出了在取決于角α的在凸起區(qū)域6和葉片3的內(nèi)邊緣31之間的間隙7的范圍或尺寸方面給出的幾何形狀的不同優(yōu)選示例，所述角表示當(dāng)圍繞軸線r旋轉(zhuǎn)時(shí)的葉片3的角位置。

特別地，參考圖6a，其示出了表示凸起區(qū)域的外表面的形狀的圖形，使得取決于葉片角α的間隙的范圍具有帶有最小值的曲線趨勢(shì)。換句話說，當(dāng)葉片成最小角αmin定位(也就是幾乎沿著軸線a定向)時(shí)，在凸起區(qū)域和葉片的內(nèi)邊緣之間形成的間隙的范圍具有最大值。然后它開始遞減，直到它達(dá)到最小值。其后間隙的范圍(換句話說，凸起區(qū)域的外表面和葉片的內(nèi)邊緣之間的空間距離)再次開始遞增，直到葉片旋轉(zhuǎn)到最大角αmax。在該情況下，外表面可以被認(rèn)為是山形，并且這種幾何形狀是大致在圖3和4中圖示的幾何形狀。然而，也可以使用其它幾何形狀。

圖6b示出了描述凸起區(qū)域的外表面的形狀的圖形，使得取決于葉片角α的間隙的范圍具有包括第一恒定段和跟隨的第二遞增段的趨勢(shì)。

圖6c和6d的圖形示出了示例，其中外表面成形為使得取決于葉片角α的間隙的范圍具有遞增線趨勢(shì)。

圖7b和7c的圖形示出了示例，其中外表面成形為使得取決于葉片角α的間隙的范圍具有遞減線趨勢(shì)。

相反地，圖7a示出了示例性幾何形狀，其中取決于葉片角α的間隙的范圍具有帶有至少局部最小值和局部最大值的曲線趨勢(shì)。

最后，圖7d示出了優(yōu)選幾何形狀的另一示例，其中凸起區(qū)域的外表面的形狀使得取決于角α的間隙的范圍由具有最大值的曲線表示。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易理解，本發(fā)明不限于上述的凸起區(qū)域的示例性幾何形狀，而是可以取決于渦輪機(jī)單元可以在其中操作的特定工作條件來考慮其它幾何形狀。

此外，現(xiàn)在參考下面的圖8，凸起區(qū)域6的外表面61的幾何形狀可以使得一旦葉片已到達(dá)操作角位置，凸起區(qū)域和葉片的內(nèi)邊緣(未示出)之間的間隙的范圍可以沿著葉片的內(nèi)邊緣是可變的。更特別地，圖7示出了凸起區(qū)域6的側(cè)向橫截面，使得外表面61和葉片的內(nèi)邊緣(未示出)之間的間隙的范圍從位置b到c是恒定的，并且然后從位置c遞增到e.

現(xiàn)在參考下面的圖9，其示出了根據(jù)本發(fā)明的第二示例性實(shí)施例的包括轂1'的渦輪機(jī)單元2'。特別地，在該情況下，調(diào)節(jié)裝置包括示意性地描繪并用附圖標(biāo)記71指示的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，所述旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與轂1'的下游區(qū)域13關(guān)聯(lián)并且配置成圍繞縱向軸線h相對(duì)于上游區(qū)域12旋轉(zhuǎn)下游區(qū)域13。對(duì)于給定的葉片角，下游區(qū)域13的旋轉(zhuǎn)相對(duì)于葉片3發(fā)生，從而以與葉片3相對(duì)于轂1'的旋轉(zhuǎn)相同的方式相對(duì)于葉片3旋轉(zhuǎn)凸起區(qū)域6。所以，由于凸起區(qū)域6的外表面的幾何形狀，下游部分13的旋轉(zhuǎn)決定在凸起區(qū)域和葉片的內(nèi)邊緣之間形成的間隙的范圍的調(diào)節(jié)。相反地，在凸起區(qū)域定位在轂的上游區(qū)域上的情況下，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以替代地或附加地布置成相對(duì)于下游區(qū)域13旋轉(zhuǎn)上游區(qū)域12。

在該示例性實(shí)施例中，轂1'的下游和上游區(qū)域是相對(duì)于彼此可移動(dòng)的兩個(gè)獨(dú)立部分。而且，轂1'優(yōu)選地是內(nèi)部中空的，使得可以在其中容納旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)71。

參見下一個(gè)也是最后一個(gè)圖10，其示出了根據(jù)第三優(yōu)選實(shí)施例的包括轂1”的渦輪機(jī)單元2”。在該實(shí)施例中，調(diào)節(jié)裝置包括示意性地描繪并用附圖標(biāo)記81指示推出/撤回機(jī)構(gòu)，所述推出/撤回機(jī)構(gòu)與凸起區(qū)域6關(guān)聯(lián)并且配置成相對(duì)于下游區(qū)域13或者更一般地相對(duì)于轂1”推出或撤回凸起區(qū)域6。凸起區(qū)域的推出或撤回優(yōu)選地沿著大致垂直于轂的表面的方向發(fā)生，如圖中的箭頭f指示。然而，方向的位移也可能不垂直于轂。通過推出凸起區(qū)域，外表面61接近葉片的內(nèi)邊緣(未示出)，并且相反地，當(dāng)凸起區(qū)域6朝著轂1”的內(nèi)部撤回時(shí)，間隙范圍增加。通過作用于機(jī)構(gòu)81，可以在機(jī)器的操作期間有利地控制和微調(diào)間隙的范圍。推出/撤回機(jī)構(gòu)81也可以駐留在轂1”的內(nèi)部。將容易領(lǐng)會(huì)，旋轉(zhuǎn)和推出/撤回機(jī)構(gòu)也可以被整合成能夠執(zhí)行兩個(gè)操作的單個(gè)機(jī)構(gòu)。

凸起區(qū)域可以作為凸起區(qū)域部分形成于轂上，其可以通過例如模制過程來實(shí)現(xiàn)。在另一方面，作為非限制性示例，可以通過加工過程獲得中空區(qū)域。

也將容易領(lǐng)會(huì)，本發(fā)明可以以任何組合提供與上述的三個(gè)實(shí)施例相關(guān)的所有特征。因此，可以想到為轂提供三個(gè)實(shí)施例的所有特征，從而使在凸起區(qū)域和葉片之間延伸的間隙的機(jī)動(dòng)性最大化。

盡管已結(jié)合僅有限數(shù)量的實(shí)施例詳細(xì)描述了本發(fā)明，但是應(yīng)當(dāng)容易理解本發(fā)明不限于這樣的公開實(shí)施例。而是，本發(fā)明可以被修改以包含迄今未描述、但與本發(fā)明的精神和范圍一致的許多變化、改變、替代或等效布置。另外，盡管已描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但是應(yīng)當(dāng)理解本發(fā)明的方面可以僅包括所述實(shí)施例中的一些。因此，本發(fā)明不被視為由前面的描述限制，而是僅由附帶的權(quán)利要求的范圍限制。