弗朗西斯型水轮机的叶轮

水轮机经长期发展已基本定型，从而近年来只有微小改进。但在这一领域即使微小改进也会在比方说效率等方面获得很大收益。

本发明涉及弗朗西斯(Francis)型水轮机的叶轮，其中叶轮叶片的几何形状可受许多参数的影响而显得十分复杂，尤其与叶片连接其上的叶轮轮毂和轮圈有关。除了效率，试图改进Francis型叶轮的特性的本领域普通技术人员特别须解决气蚀问题。由于涉及到复杂的几何关系、水流流谱和许多参数，很难预测叶片几何形状的改变会对特性造成什么影响。此外，用种种不同几何形状和参数进行实验费钱又费时，即使是使用缩小的模型进行实验。

因此，确切说，本发明涉及Francis型水轮机的叶轮，包括一轮圈、一轮毂和若干连接在该轮圈和该轮毂上的曲面形叶片，每一叶片有一正对水轮机中一上游导向装置的进口边和正对下游出口的一出口边。

现有Francis型水轮机中的叶轮的典型形状和方向的特点是叶片在进口边处正倾斜，而在出口边处沿径向伸展。现有Francis叶轮的缺点是叶片负压侧沿轮圈生成会导致气蚀和不利流谱、从而造成损耗(水轮机效率降低)的低压区。其主要原因是压力侧出现横流，即水流不遵从理论上有利的路径流动，而在叶片的压力侧更趋向沿轴向流动。该横流主要由叶片压力侧分别与轮毂和轮圈相邻的表面部分之间的较大压力差造成。为了解决气蚀问题，比方说沿叶轮转动方向前移进口边在轮圈上的连接点。这种解决方案特别可见挪威专利No.163,378(即美国专利4,479,757)。该专利减轻了叶片进口向轮圈的气蚀问题，但叶片压力侧的不利横流的减小极微。

上述挪威专利涉及叶片的进口侧，而本申请人在Francis水轮机的原先叶轮设计中对叶片的出口边进行了专门设计，即出口边斜向偏离径向，即从轮毂向轮圈看去在叶轮转动方向上有一向前斜角。这可稳定水轮机中的水流。

令人惊奇的是，按照本发明，组合使用关于进口边和出口边的相对位置和构型的上述特殊设计可大大提高效率、改善气蚀。关于本发明叶轮的新型、具体特征的详细说明可见权利要求书。

本发明与Francis型水轮机中的现有公知叶片的显著不同之处是曲面形叶片扭曲得更厉害。本发明叶轮可使用在Francis型水轮机中而其结构保持不变，因此可用本发明叶轮更换Francis型水轮机中的旧叶轮，即该水轮机的螺旋形外壳、撑条、导向装置和引水管等保持不变。装有新叶轮的水轮机特别适合于高达几百米的水头。

下面结合附图详述本发明，附图中：

图1为其叶片呈现有形状的Francis型叶轮的立体图；

图2为本发明叶轮一实施例的与图1观测角度稍有不同的简化立体图；

图3为图2所示叶轮的简化正视图；

图4为图3所示叶轮的仰视图；

图5为本发明叶片实施例的轴向(子午向)剖面图；

图6为本发明叶轮叶片的负压侧的轴向图(rφ图)；

图7A、7B和7C为三种不同构型的叶片的压力侧以速度矢量表示的水流流谱的比较图；以及

图8A、8B和8C相应示出这三种叶片的负压侧的压力分布。

图1所示现有叶轮包括一轮毂2和一轮圈1，叶片以通常方式连接其上。特别应看到，图1的叶片构型表现为叶片的进口边3x从轮毂向轮圈看去在箭头R所示转动方向上稍稍向后倾斜或伸展。与往常完全一样，叶片出口边3y位于径向线上。

图2所示本发明叶轮也示出一轮毂2，但为简明起见未示出轮圈。但从该图可看到叶片与轮圈连接的端部的一部分。该图中叶片的进口边5的倾斜方向从图2中所示转动方向R来看与图1相反。此外可看到，出口边6在图2中从轮毂向轮圈看去较之图1的径向出口边3y向前倾斜。还应看到，图2叶片的构型多多少少呈扭曲形。进口边的倾斜与出口边的倾斜一起决定着扭曲程度。从对图3-6的下述讨论中可更清楚看出这些几何关系。

图3和4进一步示出结合图2所述特征，即叶片进口边5相对于出口边6的构型。图3实际上只示出轮圈1的内部轮廓。标号7示出叶片3与轮圈1的连接区或连接面是个什么样子。在图3中和图4的一部分中该叶轮构型用箭头所示点或位置表征叶片的特殊形状。这些点为：

A-叶片进口边5在轮圈1上的连接点；

B-叶片出口边6在轮圈1上的连接点；

C-叶片进口边5在轮毂2上的连接点；

D-叶片出口边6在轮毂2上的连接点(图3未示出点D)。

图5的轴向剖面图更清楚示出上述4点A、B、C和D在轮圈1、轮毂2和叶片3上的布置。这4点在图5(和图6)中用小圆圈表示。图5还示出该叶轮的转动轴线Ax，其中还示出两个尺寸，即点D的直径Dd和点B的直径Db。直径比Dd/Db为本发明叶轮中的新叶片构型的重要参数。与下文详述的其他特征有关的该直径比Dd/Db最好为0.3-0.4，因为这在叶轮下游可获得所需稳定水流，特别是该直径比接近0.3时。

图5还示出本发明另一特征即下述位置或尺寸关系：出口边6在轮毂2上的连接点D的高度低于叶片进口边5的中部或中点15。如通常在至少是较大Francis型水轮机中那样，这里的“高低”指沿垂直轴线Ax的高低。

本发明叶轮的最重要特征最清楚地示出在图3、4和6中，这些图示出上述4点与转动轴线之间的角位。该轴线在图6中用原点表示。因此，图6示出从图5轴向看去的叶片3。图6中仍用R表示转动方向。从图6中原点(轴线Ax)还画出若干表示重要角度关系的径向线，这些角度仍相对于转动方向R而言。

从图6、但也可从图3和4看到的这些重要关系如下：

点A在转动方向上位于点C前方，点B在转动方向上位于点D的前方。这种构型影响到叶片3的特殊的受控扭曲形状，从而对水流流谱、压力分布、从而对效率以及气蚀特性有显著影响。

至于上述尺寸或角度关系的大小，还可看到，所示出口边6在转动方向上的伸展角度φa最好大于进口边5的相应伸展角度φi。从图6中也可看到这两角之间的尺寸关系。角φa最好大大大于角φi，角φa的绝对大小至少等于15°。在某些实施例中φi可很小，但实际中这并不意味着φa相应减小到最小值。

从上述附图所示一例可知，在实际中的各实施例中，叶片负压侧的子午面与出口边6在轮毂和轮圈处的法线最好成约30°角。

图7和8示出本发明与现有技术的比较结果。因此图7A和8A分别示出本申请人在本说明书引言中所述特殊设计的叶片的压力侧水流流谱和负压侧压力关系。图7B和8B相应示出上述挪威专利所述叶片的这些关系。为进行比较，图7C和8C相应示出如何使用其叶片具有本发明形状的叶轮大大提高水轮机的性能。

叶片压力侧的水流关系即速度矢量示出在现有子午断面上。子午断面沿叶片负压侧还示出压力关系，其中等压线呈曲线，此外还插入若干数值。

用来进行比较的图7A和8A所示具有现有叶片形状的叶轮的特点是沿叶片的负压侧、特别是进口边与轮圈连接部位的压力低，此外该水流流谱表明，该叶片的压力侧出现有害横流。

用来进行比较的图7B和8B所示前述另一现有设计的改进之处是进口边在轮圈上的连接点在叶轮转动方向上前移，从而较之图8A进口边的压力提高，但从图7B可看出，叶片压力侧的横流并未改善。

从表示本发明一实施例的图7C和8C可看出，沿叶片负压侧的压力取得平衡，从而整个叶片上从进口边到出口边压力平稳递增(图8C)。由于压力或叶片的平衡情况改善，因此该叶轮压力侧的速度矢量更好地遵从所需理论水流路径(图7C)。由此显然可看出，本发明的气蚀和水流特性大大改善。