专利名称：水力机械的弯曲导流管的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水力机械的导流弯管。
背景技术：
水力机械的弯曲导流管具有用于从叶轮出口引导流水到下游水道的功能，并且有效地利用流水在叶轮出口处的位能，同时通过缓慢扩大流路整流并减小流速，从而在叶轮出口有效的转变速度能量为水压能量。
图9为常规Francis水泵水轮机的弯曲导流管的示意图。如图9所示，从叶轮11流出的流水流动穿过上部导管12，和弯曲部分的入口截面13，并且水的流动方向通过弯曲部分14改变，然后流水通过扩大部分15减速，并且由此恢复水压。扩大部分15被如此形成，以便与水力机械的中心线X的一侧以γ角度倾斜，该角度从导流管流路在水平方向的最低位置16向上旋转，以便增加朝向下游一侧的截面积。在下文中，通过沿与导流管的管路轴线(中线S)方向垂直方向的表面切断部分导流管，得到一截面，其作为该部分导流管的截面。在图9中，Y表示水力机械的转动轴线，以及F表示导流管的深度。
当扩大部分15的流路的截面积较宽时，会出现以下情况，即安装了用于从扩大部分15邻侧分隔水流的中心梨形，并且从叶轮流出的流水在流动转动方向的分量被有效的消除了，以及由于防止了截面积突然增加，增加了整流的效果，并且由此，压力可以得到有效的恢复。
这里提供一种弯曲导流管，在上游侧，至少在从在导流管上部之中的弯曲部分的边缘的预定范围内，当从叶轮出口的距离变长时，垂直方向的截面积随之增加，并且在预定范围内，垂直方向截面在纵向的宽度保持不变，以及在导流管的弯曲部分内，在垂直方向的截面在水平方向的宽度比在垂直方向的截面在纵向的宽度大，且在弯曲部分的传输损耗减小，以及土地挖掘量减小(例如，参考专利文件1)。
这里，假设在垂直于导流管管路的轴线的方向切割部分导流管，由此在该部分导流管得到一截面，其作为“在垂直方向的截面”。此外，假设得到一直线，其为包括导流管的垂直方向截面的平面与包括导流管轴线的平面的交叉线，该直线方向称为在垂直方向的截面的“纵向”，以及垂直于纵向的方向称为垂直方向的截面的“水平方向”。
通常，导流管布置在地面下，以致必须根据导流管的形状挖掘土地。在水力机械的弯曲导流管内，导流管具有扩大部分15，扩大部分15在水力机械的中心线X的一侧，具有向上旋转的角度γ，土地挖掘量可能较小。此外，导流管深度F设计为浅的，并且由此土地挖掘量可减少。此外，这里提供一种弯曲导流管，以致在导流管线和基础混凝土板部分之间的工作空间和挖掘量均减少，并且相应地施工周期缩短，施工花费较低(例如，参考专利文件2)。
专利文件1日本公开(Kokai)2001-140741
专利文件2日本公开(Kokai)2002-168171然而，在水力机械的弯曲导流管内，针对高性能，导流管通常设计较深，虽然这时，土地挖掘量增加。当弯曲导流管设计较浅时，通过弯曲导流管压力恢复很难有效实现，并且弯曲导流管的性能损失。
图10为示意图，示出在弯曲导流管内的流动机制。如图10所示，当弯曲导流管制造为浅的，水流方向通过箭头17示出，水流方向在弯曲部分14出口的附近突然改变，以致在弯曲部分14出口的顶部的附近，和扩大部分15的顶部，造成分流18。由此，速度能量在叶轮出口处，不能有效集中，并且作为结果，造成弯曲导流管的性能的损失。在运行中，该有害影响造成以高流速超负荷工作的时间显著减少，相应的部分载荷工作时流速低。
发明内容
提出本发明以用于解决上述问题，并且用以提供一种水力机械的弯曲导流管，其能够在水力机械超负荷工作时，抑制性能的损失。
根据本发明的一方面，这里提供一种水力机械的弯曲导流管，所述弯曲导流管连接所述水力机械叶轮，用于将水流的位能转变到转动能量和下游的放水路，所述弯曲导流管包括连接于所述叶轮出口的弯曲部分；和水平地引向并且连接到所述弯曲部分的扩大部分，扩大部分具有朝向下游侧增加的截面积。在弯曲导流管的流路内的最低点之中的弯曲导流管的弯曲部分的内侧的最低点位于自一截面的扩大部分侧，该截面包括距离水力机械转轴轴线最近的点。
根据本发明，弯曲导流管的弯曲部分的内侧的最低点被确定为布置在自导流管流路内部最低点的扩大部分侧，并且相应地构造导流管，从而弯曲部分的内侧的曲率朝向扩大部分进一步延伸。由此，在导流管顶部很容易造成的分流可以被抑制，并且可以抑制工作性能在超负荷工作时的损失。
当参考结合相应的附图，将很容易得到本发明更全面的理解以及许多随之的优点，同样通过参考下面具体描述可以更好的理解，其中图1是根据本发明第一实施例的水力机械弯曲导流管的示意图；图2是本发明第一实施例的弯曲导流管传输损耗的特征视图；图3是根据本发明第二实施例的水力机械弯曲导流管的示意图；图3A是本发明第二实施例的弯曲导流管内部的传输损耗图；图4是本发明第二实施例的弯曲导流管传输损耗的特征视图；图5是根据本发明第三实施例的水力机械弯曲导流管的示意图；图6是本发明第三实施例的弯曲导流管传输损耗的特征视图；图7是根据本发明第四实施例的水力机械弯曲导流管的示意图；图8是本发明第四实施例的弯曲导流管传输损耗的特征视图；图9是FRANCIS水泵水轮机的弯曲导流管的示意图；以及图10是导流管内流动机制的示意图。
具体实施例方式
现在参考附图，其中全部附图中，相同数字指代相同或相应部分，下面将描述本发明的具体实施例。
(第一实施例)图1是根据本发明第一实施例的水力机械弯曲导流管的示意图。在图1中，省略了水力机械的图示，其中水力机械为水轮机或水泵水轮机。构造上部导管12，以致随着从叶轮出口的距离变长，同时其截面积增加。此外，构造扩大部分15，以致在导流管的流路内的最低位置16在水平方向是平直的。即，在导流管的流路内的最低位置16中，距离水力机械转轴轴线Y的最近点16a和之后的点16(在下游侧方向)在水平方向是平直的。
另一方面，导流管的弯曲部分14的内侧在下游侧方向朝向水力机械中心线x以一预定向上转角扩展。并且这样构造，以致导流管的弯曲部分14的内侧的最低点19位于扩大部分15的自一截面一侧，该截面包括在导流管流路内部的最低点16a，点16a最接近水力机械转轴的轴线y。
现在，假设从水力机械的转轴轴线Y到导流管流路内部的最低点16a的距离为Le，以及从水力机械的转轴轴线Y到导流管的弯曲部分的内侧的最低点19的距离为Lemin，在图2中所示的特性曲线表示了弯曲导流管的传输损耗与距离(Lemin-Le)/Le之间的关系。
如图2所示，发现水力机械弯曲导流管的传输损耗在距离(Lemin-Le)/Le在0.10-0.85范围内很小。由此，导流管弯曲部分的内侧最低点19位置的确定，以保持0.10＜(Lemin-Le)≤0.85。
根据第一实施例，导流管的弯曲部分的内侧的最低点19布置在，自导流管流路内部的最低点16a的扩大部分15一侧。由此，构造弯曲导流管，以致弯曲部分14的内侧的弯曲进一步向扩大部分15延伸。由此，可以抑制导流管内顶部很容易产生的分流，并且可以抑制在超负荷工作时作业性能的损失。
(第二实施例)
图3是根据本发明第二实施例水力机械的弯曲导流管的示意图。在图3中，省略了水力机械的图示，其中水力机械为水轮机或水泵水轮机。第二实施例的特征在于，弯曲导流管具有直线部分20，直线部分20通过上导流部分12一侧的延伸线在第一实施例中的弯曲部分14的内侧的形状确定，如图1所示。
在图3中，构造上导流部分12，以致其截面积随着从叶轮出口的距离变长而增加。此外，构造扩大部分15，以致导流管流路内的最低点位置16在水平方向为平直的。此外，导流管的弯曲部分的内侧在下游侧方向朝向水力机械中心线x以预定向上转角扩展。并且如此构造，以致导流管的弯曲部分的内侧的最低点19，布置在扩大部分15的自一截面一侧，该截面包括导流管流路内的最低点16a，点16a最接近水力机械转轴的轴线Y。
在弯曲部分14这样的内部形状内，当采用坐标系，其中弯曲部分14的入口截面13被当作0°角，以及在导流管流路内的最低位置之中，包括与水力机械转轴Y最接近的点16a的截面被当作90°角，弯曲部分14由具有直线部分20的形状组成，其中直线部分20确定为，上导流部分12一侧的延伸线直到沿导流管的弯曲部分14的从40°到50°的截面。理由是，虽然流路是弯曲的，并且由此流动方向改变且造成传输损耗，但是水流流过在流动方向缓慢扩大其截面积的弯曲部分14，并且由此恢复水压，以致传输损耗会减小。
图3A示出本发明第二实施例，弯曲导流管内部的传输损耗示图。在图3A中，上导流部分12称为截锥形，并且这样构造，以致其截面积随着从叶轮出口的距离的变长而增加。扩大部分15的截面为长方形，并且其截面积朝向下游侧方向增加。弯曲部分14，包括从上导流部分12的截锥形截面转变到扩大部分15的长方形截面的形状部分。在图3A中，参量R、Y和G分别示出，导流管内部的传输损耗大、中和低。
图4为特征视图，示出当截面在从弯曲部分14的0°位置到导流管弯曲部分14的内侧的最低点19被形成为直线形状时，水力机械弯曲导流管的传输损耗。如图4所示，发现当在弯曲部分14的40°位置到50°位置范围内时，弯曲部分14的内部形成为直线形状，并且由此，在该部分的分流被抑制，并且损耗减小。此外，在导流管内在直到超过弯曲部分14的50°位置具有直线部分，则弯曲部分的内侧的曲率变得过大，以致在直线型部分和其后部分内，很容易造成分流。
另一方面，从弯曲部分14的入口部分13，在导流管的各部分中，假设在弯曲部分14的内侧的直线部分20和水力机械中心线x的垂线之间形成的角度为α，在一直线与水力机械中心线的垂线之间形成的角度为β，其中该直线连接在弯曲部分14的入口截面13与入口截面13相对于导流管的中心线S(未示出)成5°角度的截面之间，导流管形状确定为α＞β。在此，导流管的中心线S通过连接各截面的重心点得到，各截面的重心点通过沿与弯曲导流管的管路的轴线方向(中心线S)垂直面切断得到。通过这样作，不仅在弯曲部分14的内周侧，同时在其外周侧的流动方向缓慢改变。由此，在弯曲部分14的外周侧的碰撞损失可以减小，并且可以抑制在超负荷作业时的性能损失。
根据第二实施例，在预定范围内，弯曲部分14的内侧的部分形成直线形状，并且抑制分流，并且由此减少损耗。以致在超负荷工作时可以抑制分流，以及可以抑制水力机械的弯曲导流管在超负荷工作时工作性能的损失。此外，不仅在弯曲部分14的内周侧，以及在其外周侧的流动方向缓慢改变。由此，在弯曲部分14的外周侧的碰撞损失减小，并且可以抑制在超负荷作业时的性能损失。
(第三实施例)图5是根据本发明第三实施例，水力机械的弯曲导流管的示意图。在图5中，省略了水力机械的图示，其中水力机械为水轮机或水泵水轮机。第三实施例的特征在于，弯曲部分14的内侧曲率ρi，弯曲部分14的外侧曲率ρo，以及弯曲部分14截面的流动路径高度He，都以预定关系保持，水在弯曲部分14的外周侧的流动方向缓慢转变，并且由此在第一实施例或第二实施例中，如图1或图3所示，在弯曲部分14的外周侧的碰撞损失减小。
在图5中，设定弯曲部分14的内侧的曲率为ρi，弯曲部分14的外侧的曲率为ρo，以及弯曲部分14截面的流动路径高为He。图6是特征视图，示出水力机械的弯曲导流管的传输损耗与(1/(ρi+He))/(1/ρo)之间的关系。如图6所示，发现水力机械弯曲导流管的传输损耗在(1/(ρi+He))/(1/ρo)的范围在1.5到2.4内时较小，此外，当损耗超过范围，如果该值小于最低限，碰撞损失增加，并且如果值大于最高限，压力恢复率下降，以致无论哪种情况，损耗都较大。
由此，确定弯曲导流管的弯曲部分14的形状，以致保持1.5≤(1/(ρi+He))/(1/ρo)≤2.4。通过这样，弯曲部分的内侧的形状朝向直线部分及后面部分的每个截面的外周侧倾斜。
根据第三实施例，在外周侧的流动方向缓慢转变，以致弯曲部分在外周侧的碰撞损失可以减小。由此，可以抑制超负荷作业时工作性能的损失。
(第四实施例)
图7是根据本发明第四实施例，水力机械的弯曲导流管的示意图。在图7中，省略了水力机械的图示，其中水力机械为水轮机或水泵水轮机。第四实施例的特征在于，弯曲导流管在弯曲部分14的90°位置的流路高度为Heo，特别设定其在任意第一到第三实施例中的预定范围内。
设定导流管深度为F，和导流管在弯曲部分14的90°位置(这是在导流管流路最低点位置中距离水力机械的转轴Y的最近点16a)的流路高度为Heo，确定导流管流路的高度Heo，以便将Heo/F设定在预定范围内。
图8为特征视图，示出了水力机械的弯曲导流管的传输损耗与Heo/F之间的关系。如图8所示，发现水力机械的弯曲导流管的损耗在Heo/F从0.2到0.3的范围内较小。
根据第四实施例，在导流管流路内最低点位置中距离水力机械转轴Y最近的点16a(弯曲部分14的90°位置)位置，导流管流路的高度Heo被特别设定在预定范围内，从而可以减小水力机械的弯曲导流管的传输损耗。
显然，根据以上所述，本发明的多种改变和变化都是有可能的。由此可以理解，在附加权利要求范围内，除这里所述具体实施例外，还可以实现本发明。
权利要求
1.一种水力机械的弯曲导流管，所述弯曲导流管连接所述水力机械叶轮，用于将水流的位能转变到转动能量和下游的放水路，所述弯曲导流管包括连接于所述叶轮出口的弯曲部分；和水平地引向并且连接到所述弯曲部分的扩大部分，扩大部分具有朝向下游侧增加的截面积；和在弯曲导流管的流路内的最低点之中的弯曲导流管的弯曲部分的内侧的最低点位于自一截面的扩大部分侧，该截面包括距离水力机械转轴轴线最近的点。
2.如权利要求1所述的水力机械弯曲导流管，其特征在于设定从所述水力机械的转轴轴线到所述导流管的所述流路内部最低位置之中的距离所述转轴轴线最近的点的距离为Le，和从所述水力机械的转轴轴线到所述弯曲导流管的所述弯曲部分的内侧的最低点的距离为Lemin，所述导流管的形状被确定为保持0.10＜(Lemin-Le)/Le≤0.85。
3.如权利要求1所述的水力机械弯曲导流管，其特征在于所述弯曲部分设置有具有直线部分的其内侧形状，直线部分被确定为上导流部分的一侧的延伸线直到沿所述导流管的所述弯曲部分从40°到50°位置的截面，采用一坐标系，其中所述弯曲部分的入口截面被当作0°角，以及在导流管流路内的最低位置之中包含与所述水力机械的转轴最接近的点的截面被当作90°角。
4.如权利要求3所述的水力机械弯曲导流管，其特征在于设定在所述弯曲部分的所述内侧的所述直线部分和所述水力机械中心线的垂线之间形成的角度为α，以及在一直线与水力机械中心线的垂线之间形成的角度为β，其中该直线连接在弯曲部分的入口截面和相对于导流管的中心线与弯曲部分的入口截面成5°角度的截面，所述弯曲导流管的形状被确定为在所述弯曲导流管从所述弯曲部分的入口截面的每个所述直线部分上α＞β；这里，导流管的中心线通过连接多个截面的重心点得到，多个截面的重心点通过沿与弯曲导流管的管路的轴线方向垂直面切断得到。
5.如权利要求1-4中的任一个所述的水力机械弯曲导流管，其特征在于设定所述弯曲部分的内侧曲率为ρi，所述弯曲部分(14)的外侧曲率为ρo，以及所述弯曲部分(14)的截面的流动路径高度为He，所述导流管的形状被确定为保持1.5≤(1/(ρi+He))/(1/ρo)≤2.4。
6.如权利要求1-4中的任一个所述的水力机械弯曲导流管，其特征在于设定导流管深度为F，和所述导流管在一截面处的流路高度为Heo，该截面包括在所述导流管所述流路内部最低位置之中与所述水力机械的所述转轴所述最接近的点，所述弯曲导流管的形状被确定保持0.2≤Heo/F≤0.3。
全文摘要
本发明涉及一种水力机械的弯曲导流管，所述弯曲导流管连接所述水力机械叶轮，用于将水流的位能转变到转动能量和下游的放水路，所述弯曲导流管包括连接于所述叶轮出口的弯曲部分；和水平地引向并且连接到所述弯曲部分的扩大部分，扩大部分具有朝向下游侧增加的截面积。在弯曲导流管的流路内的最低点之中的弯曲导流管的弯曲部分的内侧的最低点位于自一截面的扩大部分侧，该截面包括距离水力机械的转轴轴线最近的点。
文档编号F03B11/00GK101059116SQ20071010101
公开日2007年10月24日 申请日期2007年4月23日 优先权日2006年4月21日
发明者中村一幸, 黑泽贞男, 铃木敏晓 申请人:株式会社东芝