專利名稱：水力機械的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及具有法蘭西式水輪機的水輪機葉輪的水力機械，特別涉及由改良分瓣
葉輪的葉片形狀來提高水輪機性能的技術。
背景技術：
安裝在水力機械上的法蘭西式水輪機，如圖13所示，沿轉子狀葉輪101的周方向，等間隔地設置葉輪葉片102。圖13中，103表示上冠，104表示下環(huán)，支撐葉輪葉片102。另外，圖中箭頭F表示水流，虛線C表示轉動軸。 在這樣的水力機械中，通過在水輪機運行時改變導流葉片(未圖示)的開度，從而調整流入葉輪101的水量，改變發(fā)電量。因此，葉輪101內的流動隨水量而變化較大，設計點中，從導流葉片流入的流動F沿著葉輪101的流線流動。 但是，流量變小后，葉輪內部的流動因葉輪轉動產生的離心力而偏向下環(huán)104側流動。而流量變大后，從導流葉片向葉輪101中心方向的能量變大，葉輪101的轉動力所產生的離心力也變大，所以會偏向上冠103側流動。不沿著此流線的流動稱為二次流動，該二次流動發(fā)生后，葉輪IOI中會發(fā)生損失。如果能抑制大流量側、小流量側發(fā)生該二次流動，就能夠提供大范圍且葉輪損失小的葉輪101。 防止上述二次流動的方法有下述分瓣葉輪110 :如圖14所示，在作為通常的葉輪葉片的長葉片lll之間安裝作為短的葉輪葉片的短葉片112。圖中箭頭R表示水輪機運行時的轉動方向。該分瓣葉輪110中，由短葉片112能夠抑制非設計點中的流動偏離，降低損失，在圖15所示的部分負載運行中，能夠抑制偏向下環(huán)側的流動。 上述分瓣葉輪110的長葉片111的后緣llla和短葉片112的后緣112a如圖16所示，從下環(huán)104到上冠103構成直線狀，向轉動軸C呈放射狀。 作為分瓣葉輪相關的技術，有短葉片后緣形狀相關的技術。例如，短葉片的泵運行的前緣相對泵運行時的轉動方向，使下環(huán)側比上冠側后退，目的在于提高泵運行中的空洞性能。例如有日本專利公報專利3782752號公報(以下稱為專利文獻1)。
另外，水輪機運行時的短葉片后緣的下環(huán)側相對水輪機運行時的轉動方向，比上冠側后退，目的在于提高水輪機運行時或泵運行時的空洞性能。例如日本公開專利公報特開2003-65198號公報(以下稱為專利文獻2)。 具有上述分瓣葉輪的水力機械中，有以下問題。即，雖然能夠抑制大流量或小流量時的二次流動，但在大的水量范圍內，無法實現(xiàn)水輪機效率的提高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供能夠防止二次流動發(fā)生且能夠在大的水量范圍內提高水
輪機效率的水力機械。 為了解決上述課題，本發(fā)明的水力機械有下述結構。
(1)特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍；長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在 上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且分別 設置在上述多個長葉片之間，在垂直于上述轉動軸的投影平面上，其后緣向水輪機運行時 的上述葉輪的葉輪方向形成為凸狀。 (2)特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍； 長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側緣支撐在上述上冠上，其外圍側緣支 撐在上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且 分別設置在上述多個長葉片之間，在垂直于上述轉動軸的投影平面上，其后緣向上述轉動 軸的轉動方向形成為凸狀，連接上述后緣與上述下環(huán)的交點和上述轉動軸的直線與連接從 上述后緣的上冠側端部到下環(huán)側端部為止的長度的中點和上述轉動軸的直線所構成的角 度為9b，將9b的正方向作為水輪機運行時的上述葉輪的轉動方向時，9b>0° 。
(3)特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍； 長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側緣支撐在上述上冠上，其外圍側緣支 撐在上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且 分別設置在上述多個長葉片之間，在垂直于上述轉動軸的投影平面上，其后緣向上述轉動 軸的轉動方向形成為凸狀，連接上述后緣與上述上冠的交點和上述轉動軸的直線與連接從 短葉片后緣的上冠側端部到下環(huán)側端部為止的中點和上述轉動軸的直線所構成的角度為
e c，將e c的正方向作為水輪機運行時的上述葉輪的轉動方向時，e c > 0° 。 (4)特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍； 長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側緣支撐在上述上冠上，其外圍側緣支 撐在上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且 分別設置在上述多個長葉片之間；上述長葉片及上述短葉片與上述上冠及上述下環(huán)的接合 面上分別在流下方向有三角狀的圓角結構部，上述短葉片的圓角結構部比上述長葉片的圓 角結構部大。 通過本發(fā)明，能夠防止二次流動發(fā)生且能夠提高大的水量范圍內的水輪機效率。


圖1是表示本發(fā)明第1實施方式涉及的安裝有水輪機葉輪的水力機械的縱剖視 圖。 圖2是表示從水輪機出口側看同一水輪機葉輪時的、在垂直于轉動軸的平面上的 投影圖。 圖3是表示同一水輪機葉輪效果的說明圖。 圖4是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第2實施方式涉及的水輪機葉輪時的、在垂 直于轉動軸的平面上的投影圖。 圖5是表示同一水輪機葉輪效果的說明圖。 圖6是表示同一水輪機葉輪中的小流量側的葉輪內部流動的模式圖。 圖7是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第3實施方式涉及的水輪機葉輪時的、在垂
直于轉動軸的平面上的投影圖。 圖8是表示同一水輪機葉輪效果的說明圖。
圖9是表示同一水輪機葉輪中的大流量側的葉輪內部流動的模式圖。 圖10是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第4實施方式涉及的水輪機葉輪時的、在垂
直于轉動軸的平面上的投影圖。 圖11是表示同一水輪機葉輪效果的說明圖。 圖12是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第5實施方式涉及的水輪機葉輪時的、在垂 直于轉動軸的平面上的投影圖。 圖13是表示水輪機葉輪一例中的葉輪內部流動的模式圖。 圖14是表示分瓣葉輪的一例的俯視圖。 圖15是表示從水輪機出口側看同一水輪機葉輪時的、在垂直于轉動軸的平面上 的投影圖。 圖16是表示同一分瓣葉輪的葉輪內部流動的模式圖。 符號說明 10水力機械 20外殼 30發(fā)電機 40吸出管 50、60、70、80、90水輪機葉輪 51上冠 52下環(huán) 53、63、73、83、93長葉片 54、64、74、84、94短葉片 54a、64a、74a、84a、94a后緣
具體實施例方式
圖i是表示本發(fā)明第1實施方式涉及的安裝有法蘭西式水輪機葉輪50的水力機 械10的結構的縱剖視圖，圖2是表示從水輪機出口側看同一水輪機葉輪50時的、在垂直于 轉動軸的平面上的投影圖，圖3是表示同一水輪機葉輪50的效率的分布圖。
如圖1所示，水力機械10具有外殼20，設置在該外殼20上部的發(fā)電機30，設置在 外殼20出口側的吸出管40。外殼20設置有固定導葉21和導流葉片22。在外殼20內部， 自由轉動地設置有形成在轉動軸C周圍的水輪機葉輪50，安裝在發(fā)電機30的主軸31上。
水輪機葉輪50，其中心側有上冠51，外周側有下環(huán)52。如圖2所示，包括長葉片 53，其沿轉動軸C的周方向設置多個，其中心側支撐在上冠51上，其外圍側支撐在下環(huán)52 上；短葉片54，其中心側支撐在上冠51上，其外圍側支撐在下環(huán)52上，并且分別設置在長 葉片53之間。短葉片54在垂直于轉動軸C的投影平面上，其后緣54a向水輪機運行時的 轉動方向R形成為凸狀。即，水輪機葉輪50的短葉片54的后緣54a的形狀為曲線狀，與中 央相比，上冠51側及下環(huán)52側向轉動方向R后退。 短葉片54在投影平面中，連接后緣54a與下環(huán)52的交點P和轉動軸C的直線Ll與 連接從后緣54a的上冠側端部54b到下環(huán)側端部54c為止的長度的中點Q和轉動軸C的直 線L2所構成的角度為9 b。連接后緣54a與上冠51的交點S和轉動軸C的直線L3與連接從后緣54a的上冠側端部54b到下環(huán)側端部54c為止的中點Q和轉動軸C的直線L2所構成 的角度為9c。將9b、 9c的正方向作為水輪機運行時的轉動方向R時，3?！?b《6° ， 且4°《e c《8° 。 在上述結構的水力機械10中，水輪機運行時如下述動作。即，通過水壓鐵管導入 外殼10內的水流，通過固定導葉11及導流葉片12流入水輪機葉輪50，由該水流轉動驅動 水輪機葉輪50，通過主軸31驅動發(fā)電機30。而驅動水輪機葉輪50后的水經吸出管40向 外部的放水路流出。 這時，改變決定短葉片后緣形狀的9b、 9c后，如圖3所示，形成水輪機效率的分 布。這里的水輪機效率是設計流量、大流量、小流量的各效率的平均值。圖3中，9b為4。、 9c為5。附近有效率最大點(100%)。8卩，為了提高從小流量到大流量的平均水輪機效率， 將短葉片出口形狀設定為3?！秂b《6°且4°《ec《8°的范圍是有效的。圖中各數(shù) 值表示相對最大點的相對效率。 如上述，本實施方式所涉及的水力機械10中，短葉片54的后緣54a向水輪機運行 時的轉動方向R形成為凸狀，通過設定為滿足規(guī)定條件的形狀，能夠提高從小流量到大流 量的平均水輪機效率。 圖4是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第2實施方式涉及的水輪機葉輪60時的、在 垂直于轉動軸的平面上的投影圖，圖5是表示同一水輪機葉輪60的效果的說明圖，圖6是 表示水輪機葉輪60中的小流量側的葉輪內部流動的模式圖。這些圖中，與圖1及圖2功能 相同的部分用相同符號表示，省略其詳細說明。 水輪機葉輪60中，設置長葉片63來取代長葉片53，設置短葉片64來取代短葉片 54。短葉片64在垂直于轉動軸C的投影平面中，其后緣64a向水輪機運行時的轉動方向R 形成為凸狀。具體來說，短葉片64在投影平面中，連接后緣64a與下環(huán)52的交點P和轉動 軸C的直線Ll與連接從后緣64a的上冠側端部64b到下環(huán)側端部64c為止的長度的中點 Q和轉動軸C的直線L2所構成的角度為9 b。這時，將9 b的正方向作為水輪機運行時的 葉輪轉動方向時，設定9b>0° 。 上述結構的水力機械10中，水輪機運行時與上述同樣動作。這時，根據(jù)9 b的值 不同，水輪機效率發(fā)生變化。圖5是由流動解析來比較改變9b時的設計點、小流量點、大 流量點中的水輪機效率相對值的圖。在小流量的運行狀態(tài)中，e b變大時水輪機效率提高， 但在大流量側的運行狀態(tài)中，9b變大時水輪機效率降低。在設計點中，效率相對9b的變 化量小于小流量側和大流量側。即，重視小流量側效率時增大9b，即通過設定9b>0° 能夠提高效率。 圖6表示e b為3°時的小流量運行時的流動模式圖。實線箭頭F表示本實施方
式中的水流，虛線箭頭w作為比較例表示eb為o。時的水流?？芍?，相對比較例的水流w
偏向下環(huán)52側，水流F能夠抑制上述偏流。通過抑制該偏流，能夠提高水輪機效率。
如上述，本實施方式涉及的水力機械10中，短葉片64的后緣64a向水輪機運行時 的轉動方向R形成為凸狀，通過設定為滿足規(guī)定條件的形狀，能夠提高小流量中的水輪機效率。 圖7是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第3實施方式涉及的水輪機葉輪70時的、在 垂直于轉動軸的平面上的投影圖，圖8是表示同一實施效果的說明圖，圖9是表示大流量側的葉輪內部流動的模式圖。這些圖中，與圖l及圖2功能相同的部分用相同符號表示，省略 其詳細說明。 水輪機葉輪70中，設置長葉片73來取代長葉片53，設置短葉片74來取代短葉片 54。短葉片74在垂直于轉動軸C的投影平面中，其后緣74a向水輪機運行時的轉動方向R 形成為凸狀。具體來說，連接后緣74a與上環(huán)51的交點S和轉動軸C的直線L3與連接從后 緣74a的上冠側端部74b到下環(huán)側端部74c為止的中點Q和轉動軸C的直線L2所構成的 角度為9c。這時，將9 c的正方向作為水輪機運行時的葉輪轉動方向時，設定ec>o° 。
上述結構的水力機械10中，水輪機運行時與上述同樣動作。這時，根據(jù)9 c的值 不同，水輪機效率發(fā)生變化。 圖8是由流動解析來比較改變e c時的設計點、小流量點、大流量點中的水輪機效 率相對值的圖。在大流量的運行狀態(tài)中，9c變大時水輪機效率提高，但在小流量側的運行 狀態(tài)中，9c變大時水輪機效率降低。在設計點中，效率相對9 c的變化量小于小流量側和
大流量側。即，重視大流量側效率時增大ec，即通過設定ec>o°能夠提高效率。 圖9表示e c為4°時的大流量運行時的流動模式圖。實線箭頭F表示本實施方 式中的水流，虛線箭頭G作為比較例表示ec為o。時的水流。可知，相對比較例的水流G 偏向下環(huán)52側，水流F能夠抑制上述偏流。通過抑制該偏流，能夠提高水輪機效率。
如上述，本實施方式涉及的水力機械10中，短葉片74的后緣74a向水輪機運行時 的轉動方向R形成為凸狀，通過設定為滿足規(guī)定條件的形狀，能夠提高大流量中的水輪機 效率。 圖10是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第4實施方式涉及的水輪機葉輪80時的、 在垂直于轉動軸的平面上的投影圖，圖ll是表示同一實施效果的模式圖。這些圖中，與圖 l及圖2功能相同的部分用相同符號表示，省略其詳細說明。 水輪機葉輪80中，設置長葉片83來取代長葉片53，設置短葉片84來取代短葉片 54。短葉片84在垂直于轉動軸C的投影平面中，其后緣84a向水輪機運行時的轉動方向R 形成為凸狀。具體來說，將從后緣84a的上冠側端部84b到下環(huán)側端部84c為止的半徑方 向的長度作為A，將從后緣84a向水輪機轉動方向形成為凸狀的最大位置T到上冠側端部 84b為止的長度作為B時，設定為0. 25A《B《0. 75A。 上述結構的水力機械10中，水輪機運行時與上述同樣動作。這時，根據(jù)B值不同， 水輪機效率發(fā)生變化。 圖11是表示改變B值時將小流量、設計點、大流量中的水輪機效率平均化時的水 輪機效率變化的圖?？芍?，在0.25A到0.75A的范圍內，效率提高。S卩，為了提高從小流量 到大流量的平均水輪機效率，通過將從短葉片84的后緣84a向水輪機運行時的轉動方向R 形成為凸狀的最大位置T到上冠側端部84b為止的長度B設定為0. 25A《B《0. 75A的范 圍內，能夠在大范圍內提高水輪機效率。 如上述，本實施方式涉及的水力機械10中，短葉片84的后緣84a向水輪機運行時 的轉動方向R形成為凸狀，通過設定為滿足規(guī)定條件的形狀，能夠提高從小流量到大流量 的平均水輪機效率。 圖12是表示從水輪機出口側看本發(fā)明第5實施方式涉及的水輪機葉輪90時的、 在垂直于轉動軸C的平面上的投影圖。這些圖中，與圖1及圖2功能相同的部分用相同符號表示，省略其詳細說明。 水輪機葉輪90中，設置長葉片93來取代長葉片53，設置短葉片94來取代短葉片 54。長葉片93的后緣93a中的與上冠51或下環(huán)52的接合面，即上冠側端部93b及下環(huán)側 端部93c上安裝有三角形的圓角結構部95。無論哪個圓角結構部95、96都位于長葉片93、 短葉片94的流下方向。同樣，短葉片94的后緣94a的上冠側端部94b及下環(huán)側端部94c 上設置有三角形的圓角結構部96。該圓角結構部95、96是焊接長葉片93及短葉片94和上 冠51或下環(huán)52時出現(xiàn)的圓角狀部位。并且，短葉片94的圓角結構部96比長葉片93的圓 角結構部95大。 長葉片93及短葉片94最初制造在徑向呈放射狀的葉片形狀，然后在由焊接等安
裝上冠51和下環(huán)52時，通過設置圓角結構部95、96，能夠制成向轉動方向形成為凸狀。這
樣制作比將長葉片93的后緣93a和短葉片94的后緣94a制成曲線狀要容易。 上述結構的水力機械10中，水輪機運行時與上述同樣動作。短葉片94向轉動方
向形成為凸狀，所以能夠與上述各實施方式一樣提高水輪機效率。并且通過設定為滿足規(guī)
定條件的形狀，能夠比較容易地調整重視小流量側和重視大流量側的形狀。 如上述，本實施方式涉及的水力機械10中，短葉片94的后緣94a向水輪機運行時
的轉動方向R形成為凸狀，能夠提高水輪機效率，同時其制作也變容易。 本發(fā)明并不限定于上述實施方式，在實施階段，只要不脫離其宗旨，可以改變結構
要素具體化。并且，通過適當組合上述實施方式所述的多個結構要素，能夠形成各種發(fā)明。
例如可以從實施方式的所有結構要素中刪除幾個結構要素。也可以適當組合不同實施方式
的結構要素。
權利要求
一種水力機械，其特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍；長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且分別設置在上述多個長葉片之間，在垂直于上述轉動軸的投影平面上，其后緣向水輪機運行時的上述葉輪的旋轉方向形成為凸狀。
2. 根據(jù)權利要求1所述的水力機械，其特征在于，當將上述后緣與上述下環(huán)的交點和上述轉動軸連接的直線與將從上述后緣的上冠側端部到下環(huán)側端部為止的長度的中點和上述轉動軸連接的直線所構成的角度為e b，將上述后緣與上述上冠的交點和上述轉動軸連接的直線與將從上述后緣的上述上冠側端部到上述下環(huán)側端部為止的中點和上述轉動軸連接的直線所構成的角度為9c，將上述9b、 9c的正方向設為水輪機運行時的上述葉輪的轉動方向時，上述短葉片在上述投影平面中具有3。《9b《6° ，且4°《ec《8° 。
3. 根據(jù)權利要求l所述的水力機械，其特征在于，當將從上述后緣的上冠側端部到下環(huán)側端部為止的半徑方向的長度作為A，將從向上述轉動方向形成為凸狀的最大位置到上述上冠側端部為止的長度作為B時，上述短葉片在上述投影平面中具有0. 25A《B《0. 75A。
4. 一種水力機械，其特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍；長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側緣支撐在上述上冠上，其外圍側緣支撐在上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且分別設置在上述多個長葉片之間，在垂直于上述轉動軸的投影平面上，其后緣向上述轉動軸的轉動方向形成為凸狀，當將上述后緣與上述下環(huán)的交點和上述轉動軸連接的直線與將從上述后緣的上冠側端部到下環(huán)側端部為止的長度的中點和上述轉動軸連接的直線所構成的角度為e b，將e b的正方向設為水輪機運行時的上述葉輪的轉動方向時，e b > 0° 。
5. —種水力機械，其特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍；長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側緣支撐在上述上冠上，其外圍側緣支撐在上述下環(huán)上；短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且分別設置在上述多個長葉片之間，在垂直于上述轉動軸的投影平面上，其后緣向上述轉動軸的轉動方向形成為凸狀，當將上述后緣與上述上冠的交點和上述轉動軸連接的直線與將從短葉片后緣的上冠側端部到下環(huán)側端部為止的中點和上述轉動軸連接的直線所構成的角度為9 c，將e c的正方向設為水輪機運行時的上述葉輪的轉動方向時，ec>o° 。
6. —種水力機械，其特征在于，包括葉輪，其中心側有上冠，外圍側有下環(huán)，形成在轉動軸周圍；長葉片，其沿上述轉動軸的周方向設置多個，其中心側緣支撐在上述上冠上，其外圍側緣支撐在上述下環(huán)上；以及短葉片，其中心側支撐在上述上冠上，其外圍側支撐在上述下環(huán)上，并且分別設置在上述多個長葉片之間；上述長葉片及上述短葉片與上述上冠及上述下環(huán)的接合面上分別在流下方向有三角狀的圓角結構部，上述短葉片的圓角結構部比上述長葉片的圓角結構部大。
全文摘要
包括水輪機葉輪(50)，其中心側有上冠(51)，外圍側有下環(huán)(52)，形成在轉動軸(C)周圍；長葉片(53)，其沿轉動軸(C)的周方向設置多個，其中心側支撐在上冠(51)上，其外圍側支撐在下環(huán)(52)上；短葉片(54)，其中心側支撐在上冠(51)上，其外圍側支撐在下環(huán)(52)上，并且分別設置在多個長葉片(53)之間，在垂直于轉動軸(C)的投影平面上，其后緣(54a)向水輪機運行時的水輪機葉輪(50)的轉動方向形成為凸狀。
文檔編號F03B3/02GK101713364SQ200910175720
公開日2010年5月26日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權日2008年10月3日
發(fā)明者中村一幸, 中村高紀, 手塚光太郎, 榎本保之, 筱原朗 申請人:株式會社東芝