用于水轮机的蜗壳以及布置蜗壳的方法
【专利摘要】已经构想一种用于水轮机的蜗壳，包括：一系列螺旋节段，其限定一通道以将进入壳体的液体引导到水轮机中的转轮，螺旋节段至少部分地绕所述转轮延伸并具有限定一开口以接收转轮的内部周界，所述螺旋节段的横截面面积从螺旋节段中的入口螺旋节段到螺旋节段中的最后一个螺旋节段逐渐较小，每个螺旋节段包括与所述开口对齐的间隙而且螺旋节段的横截面不符合圆形横截面；一入口节段，其限定一通道以接收液体流入所述螺旋节段，其中，所述入口节段的横截面是圆形的，及一过渡节段，其将所述入口节段连接到所述螺旋节段中的一个螺旋节段并限定一通道以将通过所述入口节段的液体引导到所述螺旋节段，其中过渡节段沿其长度的至少一部分的横截面是非圆形的。
【专利说明】
用于水轮机的蜗壳以及布置蜗壳的方法
【背景技术】
[0001]本发明涉及一种用于涡轮机的蜗壳，尤其是用于水轮机的蜗壳，例如法氏水轮机、卡普兰水轮机和培尔顿水轮机。
[0002]图1示出了一种传统的法氏水轮机10，其包括蜗壳12、固定叶片14的环形系列、导流叶片15的环形系列、转轮16和引流管18。蜗壳12形成用于水进入水轮机10的封闭通道。蜗壳12的内圆周20对从蜗壳12流向转轮16的水是敞开的。当水进入转轮16时固定叶片14和导流叶片15确定水流的方向。水使转轮16绕着通常为垂直轴线的轴线19旋转。该旋转驱动可以联结到发电机的轴22。通过转轮16的水从蜗壳12中的大致的圆形流被转变为引流管18中的大致的螺旋流。所述螺旋流的轴线与转轮的轴线19同轴。
[0003]图1示出了横截面大体上是圆形的传统的蜗壳12。非圆形部分对应于壳体的内圆周20的开口。蜗壳通常是绕着所述转轮的轴线布置的节段的组件。每个节段可以是金属面板，其被成形以形成通道的壁。每个节段可以包括一个或多个固定叶片14。
[0004]随着组件的节段绕着轴线前进，每个节段的直径依次减小。因此，通过蜗壳12的流道在入口节段26具有较大直径(Dl)。随着壳体环绕导流叶片14和转轮16的外圆周，连续节段的直径(见D2)逐渐减小。蜗壳12通常环绕导流叶片15和转轮16—个圆周或接近一个圆周。
[0005]图2示出了坐落在由发电站中的混凝土壁形成的腔室24中的传统蜗壳12。蜗壳12中的中心圆柱形开口 31接收导流叶片15和转轮16。蜗壳12的入口节段26与到腔室24的进水口对齐。入口节段26通常具有直的轴线28并且在其整个长度上横截面是圆形的。入口节段26的内侧壁为圆柱形开口 31的圆周的切线30。每个节段也可以具有直的轴线，但各节段的轴线不共轴。相反，每个节段的轴线可能与在前的和随后的节段的轴线成角度。
[0006]蜗壳12的入口节段26限定蜗壳12的第一外边缘33。从第一外边缘到对面的外边缘35的距离(D3)通常是三十英尺(10米)或更大。腔室24的宽度和长度的尺寸适于接收蜗壳
12。腔室24通常是较大的混凝土结构，其长度和宽度可以是20至60英尺高(8至20米)和50至80英尺(12至18米)。腔室24—定是建造在水轮机将要运行的发电站的地点上。腔室24的建造往往是昂贵的并且是劳动力密集型的。
【发明内容】
[0007]减少安装法氏水轮机和水轮机腔室所需的成本和劳动力是一个长期的需要。腔室的尺寸取决于蜗壳的总尺寸。减小蜗壳的外部尺寸(D4-图3)将允许腔室的尺寸被减小。在此公开的蜗壳可以应用于各种类型的水轮机，包括法氏水轮机、卡普兰水轮机、培尔顿水轮机以及斜流型水轮机。
[0008]蜗壳的外型尺寸(D4)可以通过成形壳体的螺旋节段的横截面形状、向内偏移入口节段并且在入口节段与螺旋节段之间增加过渡节段来降低。可以通过朝向图3中所示的水轮机的旋转轴线横向移动入口来偏移入口节段。还可以通过相对于图4中所示的发电站机器的轴线旋转水轮机来有效地偏移入口节段。如果水轮机被旋转，入口节段可以通过使非径向节段绕它们到其它节段的附着点旋转而被保持垂直于机器轴线73。
[0009]螺旋节段和过渡节段的横截面形状是非圆形的。螺旋节段和过渡节段的横截面可以是椭圆、抛物线或双曲线节段形状或其它具有连续切线的非圆形形状。连续切线表明横截面是连续弯曲的。这些横截面形状可以具有比传统的蜗壳中的圆形横截面更窄的宽度(垂直于水轮机的旋转轴线)和更大的高度(平行于旋转轴线)。螺旋节段的非圆形横截面被配置以具有用于水轮机所需水的足够面积。通过成形螺旋节段的横截面，螺旋节段的总尺寸(D4)相较于所有节段都具有大体上圆形横截面的蜗壳的尺寸(D3)可以被减小。
[0010]过渡节段在入口节段的端部与第一个螺旋节段之间。过渡节段形成用于从入口节段移动到螺旋节段的水的通道。过渡节段的横截面可以是非圆形的，例如椭圆形的、抛物线形的或双曲线形的。过渡节段可以从其结合到入口节段处的圆形横截面逐渐变化到其结合到第一个螺旋节段处的非圆形横截面。
[0011]已经构想一种用于水轮机的蜗壳，其包括:一系列螺旋节段，其限定一通道以将进入壳体的液体引导到水轮机中的转轮，螺旋节段至少部分地围绕所述转轮延伸并具有限定一开口以接收转轮的内部周界，所述螺旋节段的横截面面积从螺旋节段中的入口螺旋节段到螺旋节段中的最后一个螺旋节段逐渐较小，其中，每个螺旋节段包括与所述开口对齐的间隙而且螺旋节段的横截面不符合圆形横截面;一入口节段，其限定一通道以接收液体流入所述螺旋节段，其中，所述入口节段的横截面是圆形的，以及一过渡节段，其将所述入口节段连接到所述螺旋节段中的一个螺旋节段并限定一通道以将通过所述入口节段的液体引导到所述螺旋节段，其中所述过渡节段沿其长度的至少一部分的横截面是非圆形的。
[0012]机器可以例如相对于发电站机器的轴线并绕转轮叶片的旋转轴线被旋转范围为5度至40度的角度。发电站机器的轴线位于一水平面内。入口节段可以朝向水轮机的旋转轴线侧向偏移。螺旋节段和过渡节段的横截面形状可以是椭圆、抛物线或双曲线形状。
[0013]已经构想一种用于水轮机的蜗壳，其包括:螺旋节段的组件，所述螺旋节段端对端结合以限定一通道以将进入蜗壳的水引导到水轮机中的转轮，其中，所述螺旋节段的组件限定被配置用来接收水轮机的一系列叶片和转轮的内部开口而且组件中的每个螺旋节段具有与所述内开口对齐的间隙并且具有非圆形的横截面形状;一入口节段，其限定一通道以接收水流入所述螺旋节段的组件，其中，所述入口节段沿入口节段的整个长度的横截面是圆形的，以及一过渡节段，其将所述入口节段连接到所述螺旋节段的组件并限定一通道以将通过所述入口节段的水引导到所述螺旋节段的组件，其中所述过渡节段沿过渡节段的长度的至少一部分的横截面是非圆形的。
【附图说明】
[0014]图1是部分以横截面示出的传统法氏水轮机的侧视图。
[0015]图2是安置在用于水轮机的腔室中的法氏水轮机的蜗壳的透视图。
[0016]图3是具有沿其长度从圆形横截面变化到非圆形横截面并且偏移入口节段的过渡节段的蜗壳的示意俯视图。
[0017]图4是具有沿其长度从圆形横截面变化到非圆形横截面的过渡节段的旋转的蜗壳的不意俯视图。
[0018]图5是一螺旋节段的示意端视图。
【具体实施方式】
[0019]图3为在入口节段36与螺旋节段37、38之间具有过渡节段34的蜗壳32的示意俯视图。入口节段36朝向水轮机的旋转轴线40向内横向偏移。螺旋节段37、38和过渡节段34的横截面是非圆形的，例如椭圆形的、抛物线形的或双曲线形的。
[0020]蜗壳32的总尺寸(D4)可以比被蜗壳32所取代的传统蜗壳12的对应总尺寸小5%到10%。所述总尺寸的减小是通过偏移41入口节段36和形成螺旋节段37、38和过渡节段34的非圆形横截面来实现的。
[0021]蜗壳32的总尺寸(D4)的减小从显示具有偏移入口节段的蜗壳的实线与显示对应传统蜗壳的周界的虚线之间的差异可以明显看出。虚线与实线之间的距离提供了蜗壳尺寸上相对总体减小的示例性表示。
[0022]入口节段36在其整个长度上具有圆形横截面。所述圆形横截面的直径不需要沿着入口节段36的长度保持不变。例如，入口节段36可以是圆柱形的或者可以沿其长度会聚或扩展。入口节段36的圆形横截面适于承受通过入口节段36的水流的极端液压。入口节段36可以具有直的轴线46或者可以是弯曲的。
[0023]入口节段36到初始螺旋节段37的连接是由过渡节段34来实现的。过渡节段34提供从入口节段36到螺旋节段37的水通道的平稳过渡。
[0024]过渡节段34包括具有圆形横截面的入口区域，其连接到入口节段36。过渡节段34的入口的横截面是圆形的以匹配并结合到入口节段36。过渡节段34的出口具有匹配到始螺旋节段37的入口的横截面形状。过渡节段34在节段出口的横截面形状通常是非圆形的，例如椭圆形的、抛物线形的或双曲线形的。
[0025]过渡节段34可以通过将钢板乳制成所需的形状来形成。或者，过渡节段34可以通过结合端到端的短的管状节段来形成。成形的过渡节段34被用来提供横向偏移的入口节段37与初始螺旋节段38之间的连接。由于其横向偏移41，入口节段36与初始螺旋节段38的入口不对齐。在传统的蜗壳中，入口节段与初始螺旋节段对齐并且二者都有允许节段结合在一起的相似的横截面形状。
[0026]蜗壳32可以通过组装端到端的管状部分来形成，所述端到端的管状部分各自形成一个螺旋节段38。螺旋节段37、38以及过渡节段34和入口节段36可以通过乳制碳素钢板来形成。各节段可以单独运送并且在发电站的腔室组装。
[0027]螺旋节段37、38的横截面面积在通过蜗壳32的水流的方向上逐渐减小。螺旋节段
37、38的横截面形状可以是，例如椭圆形的、抛物线形的或双曲形线的。螺旋节段的横截面包括一间隙20，因此没有形成一个封闭的椭圆、抛物线、双曲线或其它非圆形的形状。螺旋节段和过渡节段的横截面被称为是非圆形的，因为横截面的轮廓不符合一个圆。相反，螺旋节段和过渡节段的横截面的轮廓符合非圆形的形状，例如椭圆、抛物线或双曲线形状。
[0028]通过成形螺旋节段37、38的横截面，蜗壳32的外部周界朝向水轮机的旋转轴线40径向向内偏移43。螺旋节段37、38的成形同横截面是圆形的螺旋节段相比可以增加高度(平行于旋转轴线40)。然而，蜗壳32的高度增加可以被接受以实现蜗壳总尺寸上的减小(从D3到 D4)。
[0029]入口节段36可以具有外表面52，其是直的并与过渡节段34的直的外部54对齐，例如同轴地。入口节段36、过渡节段34和螺旋节段37、38的外表面是蜗壳32在垂直于旋转轴线40并且延伸通过导流叶片56的中间截面的平面上的的最外面的表面。由于其偏移41，入口节段36的内表面58不与由蜗壳32的内部周界形成的圆形开口 42相切。
[0030]过渡节段34和螺旋节段37、38的壁的厚度同传统的蜗壳的壁厚相比可以增加。更厚的壁可能是承受液压并确保过渡节段和螺旋节段保持它们预期的非圆形横截面形状所需要的。
[0031]蜗壳32中的开口42接收转轮(图1)和导流叶片56的环形组件。导流叶片56的角度可被调整以改变进入转轮叶片的水的流向。导流叶片56可以通过围绕它们的轴线转动来调整。
[0032]固定叶片62的环形组件与导流叶片56的组件是同轴的。固定叶片62跨越在螺旋节段38的侧壁中形成的开口 61中的间隙。开口 61提供水从螺旋节段37、38流到导流叶片56和转轮的通道。固定叶片62还为螺旋节段37、38提供结构的支撑。固定叶片62可以被对齐以平行于从螺旋节段37、38流到导向叶片56的水的流向。
[0033]一挡板44将最后的螺旋节段38的端部连接到过渡节段34的侧面并且可选择地连接到入口节段36。挡板44可以是碳素钢板，其被成形以符合过渡节段34和入口节段36的内部周界并且为螺旋节段38提供端板。挡板防止水从最后的螺旋节段流入过渡节段或入口节段。
[0034]图4是一蜗壳64的示意俯视图。蜗壳可以是通过旋转一传统的壳体形状(见虚线)例如将要被替代的壳体来设计的。在设计期间，蜗壳的形状绕着用于壳体的水轮机机的轴线73旋转。壳体形状的有效旋转是，例如五度到四十度(5°到40°)的角度70。入口节段68的旋转帮助减小蜗壳64的总尺寸(D5)。过渡节段66和螺旋节段72的旋转和非圆形横截面减小了蜗壳64的总尺寸(D5)。总尺寸(D5)是沿着通过轴线73垂直延伸的线74的蜗壳的外表面。
[0035]入口节段、过渡节段和螺旋节段可以通过乳制各自的碳素钢片或钢板各自成形。入口节段68可以具有圆形的横截面。过渡节段66和螺旋节段72的横截面可以是完全非圆形的或部分非圆形的，例如椭圆的、抛物线的或双曲线的横截面形状。如图4中所示的，入口节段的轴线可以与过渡节段的轴线是共轴的。
[0036]如图4中所示的，通过旋转一蜗壳所形成的蜗壳可进一步成形以具有一个入口节段，其与将要被替代的壳体的入口节段平行。这样的蜗壳可以具有如图3所示的形状。用于这样一个蜗壳的过渡节段将与如图3所示的过渡节段54相似。入口节段的轴线可以相对于如图3所示的过渡节段的轴线倾斜。
[0037]图5是显示螺旋节段82的端部的示意图。螺旋节段82具有限定水通道86的周界的金属侧壁84。沿着节段的轴线85的侧壁84的横截面是非圆形的，由图5中的实平行线所示。所述横截面可以是，例如椭圆的、抛物线的或双曲线的节段形状。在图5中虚线所示的圆形横截面是为了与节段的非圆形横截面比较。
[0038]沿着通过螺旋节段82的平面88的的减小是侧壁84的外部周界与由虚线所示的圆形之间的距离87。水平面88通过固定叶片62的跨距中点并且包括发电站机器轴线73。形成蜗壳的节段组件中的所有或大部分螺旋节段82可以具有一个或多个固定叶片62，其跨越螺旋节段82的内部周界92上的间隙90。间隙90提供水从水通道86流动通过导流叶片并进入转轮的通道。固定叶片62可以由间隙90的上部和下部边缘96上的环形凸缘94支撑。凸缘94还可以支撑形成螺旋节段82的侧壁84的边缘96。凸缘94可以被固定到发电站的腔室。
[0039]虽然已经结合目前被认为最实用且优选的实施例描述了本发明，但应该理解，本发明不限于所公开的实施例，相反，其想要覆盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。
【主权项】
1.一种用于水轮机的蜗壳，其包括: 一系列螺旋节段，其限定一通道以将进入壳体的液体引导到水轮机中的转轮，螺旋节段至少部分地围绕所述转轮延伸并具有限定一开口以接收转轮的内部周界，所述螺旋节段的横截面面积从螺旋节段中的入口螺旋节段到螺旋节段中的最后一个螺旋节段逐渐较小，其中，每个螺旋节段包括与所述开口对齐的间隙而且螺旋节段的横截面不符合圆形横截面； 一入口节段，其限定一通道以接收液体流入所述螺旋节段，其中，所述入口节段的横截面是圆形的，以及 一过渡节段，其将所述入口节段连接到所述螺旋节段中的一个螺旋节段并限定一通道以将通过所述入口节段的液体引导到所述螺旋节段，其中所述过渡节段沿其长度的至少一部分的横截面是非圆形的。2.根据权利要求1所述的蜗壳，其中，所述入口节段的轴线相对于所述过渡节段的轴线是倾斜的。3.根据权利要求2所述的蜗壳，其中，所述入口节段的轴线相对于所述过渡节段的轴线形成范围为5度至40度的角度。4.根据权利要求1到3中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述入口节段的轴线与所述过渡节段的轴线是同轴的。5.根据权利要求1到4中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述入口节段朝向所述水轮机的旋转轴线横向偏移。6.根据权利要求1到5中的任何一项所述的蜗壳，其中，螺旋节段的横截面至少部分是椭圆形、抛物线形和双曲线形的其中之一。7.根据权利要求1到6中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述过渡节段的横截面包括高度尺寸比宽度尺寸大的横截面。8.根据权利要求1到7中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述过渡节段的横截面包括邻近所述入口节段的圆形横截面。9.一种水轮机的蜗壳，包括: 螺旋节段的组件，所述螺旋节段端对端结合以限定一通道以将进入蜗壳的水引导到水轮机中的转轮，其中，所述螺旋节段的组件限定被配置用来接收水轮机的一系列叶片和转轮的内部开口而且组件中的每个螺旋节段具有与所述内开口对齐的间隙并且具有非圆形的横截面形状； 一入口节段，其限定一通道以接收水流入所述螺旋节段的组件，其中，所述入口节段沿入口节段的整个长度的横截面是圆形的，以及 一过渡节段，其将所述入口节段连接到所述螺旋节段的组件并限定一通道以将通过所述入口节段的水引导到所述螺旋节段的组件，其中所述过渡节段沿过渡节段的长度的至少一部分的横截面是非圆形的。10.根据权利要求9所述的蜗壳，其中，所述组件中的螺旋节段具有比所述组件中的在前的螺旋节段更小的直径。11.根据权利要求9或10所述的蜗壳，其中，所述入口节段的轴线倾斜于所述过渡节段的轴线。12.根据权利要求11所述的蜗壳，其中，所述入口节段的轴线与所述过渡节段的轴线形成范围为5度至40度的角度。13.根据权利要求9到12中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述入口节段的轴线与所述过渡节段的轴线是同轴的。14.根据权利要求9到13中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述入口节段朝向所述水轮机的旋转轴线横向偏移。15.根据权利要求9到14中的任何一项所述的蜗壳，其中，螺旋节段的横截面至少部分是椭圆形、抛物线形和双曲线形的其中之一。16.根据权利要求9到15中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述过渡节段的横截面包括高度尺寸比宽度尺寸大的横截面。17.根据权利要求9到16中的任何一项所述的蜗壳，其中，所述过渡节段的横截面包括邻近所述入口节段的圆形横截面。18.根据权利要求9到17中的任何一项所述的蜗壳，其中，多个螺旋节段中的每一个均包括在节段的间隙中的叶片。19.根据权利要求9到18中的任何一项所述的蜗壳，其中，一挡板将所述螺旋节段的组件结合到所述入口节段的侧壁。
【文档编号】F03B3/16GK105849405SQ201480049195
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年8月7日
【发明人】奈杰尔·默里, 克莉丝汀·莫内特, 诺曼德·德西
【申请人】安德里兹水利有限公司