专利名称：优化流体机械工作点的方法
技术领域：
本发明涉及一种尤其在液压流体机械中增大工作范围或增大被导引流体转向的方法以及一种液压机械，尤其是具有至少一种供液态介质在其上转向的叶片的涡轮机，本发明还涉及一种用于调整液压机械工作点的控制或调整方法。
例如在水轮机内将流动能转换成电能属于对环境无污染的能源技术。因此值得追求的是例如通过一个尽可能大的工作范围增大此类能量生产设备的效率。
在“Dubbel，机械制造手册(Springer出版社1995，R31-R36页)”中详细描述了水轮机的基本结构和工作方式，其公开的内容全面地吸收在本申请中。
法兰西斯式涡轮机(Francis-Turbinen)用于大落差情况下。其中，流体从外向内流过工作轮，且流出方向始终沿轴向。
卡普兰式水轮机适用于比较低和强烈变动的落差。
卡普兰式水轮机的主轴垂直延伸。转子叶片的安装使得可以从叶片几乎平行于涡轮主轴延伸时的最大开度调整到叶片基本上垂直于涡轮轴时的最小开度；因此叶片基本上水平并同时垂直于流过水轮机的水的主流方向。有一些卡普兰式水轮机具有一个不是完全球形的上游轮毂。若在这种水轮机中叶片只有很小的开度，则在轮毂与各叶片的(迎流)导边之间形成一间隙，这意味着叶片的旋转轴线相对于轮毂处于上游。
在法兰西斯水轮机中，借助于两个(特殊情况下为四个)液压伺服马达的调整力、经由操纵杆调整导向叶片来实现调节控制。也可为每个导向叶片使用单个伺服马达。当由于落差和/或体积流量波动使工作状况改变时，通过调节导向叶片将工作轮前的动量矩(Drall)调整到这样的程度，即，视发电机消耗驱动功率的情况使工作轮转速保持恒定不变。在极端的运行状态下，导向叶片会造成一个几乎完全敞通的或几乎完全封闭的流通截面。
在卡普兰式水轮机中导向叶片和工作叶片都可以调整，也就是说可通过优化配置导向叶片与工作叶片之间的相对位置关系来确定工作点。
已经作出了各种各样的努力来改善流体转向液压机械的工作范围和效率。
但采取迄今已知的全部技术措施，仍未能做到提高流体转向液压机械的效率及增大其工作范围。
因此，本发明的目的是提供一种方法和一种液压机械，借此可以显著增大工作范围和效率。
按本发明为达到此目的采取的措施是，为增大工作范围或液压机械在流体回转区内的流体转向，增大流体的不稳定性。优选通过向流体内供入能量来增大流体内的不稳定性。
按一种特别优选的实施形式，从外部向流体供能。
在本发明的第一种实施形式中，通过转换机械能，例如通过激发导向叶片振动来供入能量。
特别优选的是，并不是激发整个构件振动，而仅仅是诱发转向构件表面局部随时间改变。
作为对此的替换方案，向流体内供入能量可以借助于液压能，例如通过向要转向的主流中附加供入一股体积流来实现，和/或借助于声能，例如借助微波发生器供入声能来实现。
除此之外，转向区内流体的不稳定性还可以借助设在转向区前的紊流发生器提高，并因而增大工作范围。
除了按本发明的用于增大一种液压流体机械工作范围的方法外，本发明还提供一种以此方式增大了工作范围的设备。
按本发明的液压机械具有用于在流体转向区内造成流体不稳定性的器件。
在其第一种实施形式中，造成不稳定性的器件包括用于将机械能转换为液压能或流动能的器件。特别优选的是，这种器件设计为在液压机械上的振动和/或脉动叶片或叶片的一部分。按本发明另一项设计，用于转换机械能的器件还包括设在转向区前或内输入管壁上的脉动器和/或振动器。作为替换方案，脉动器和/或振动器也可以设在转向构件的表面上。
另一些用于在流体内造成不稳定性的器件包括将液压能转换为流动能或将声能转换为流动能的器件。
除了上述方法和设备外，本发明还提供一种对供入液压机械流体内的能量进行控制的控制和调节方法，其中，当预定液压工作点时，在借助于特性曲线进行控制的情况下和借助于反馈的功率指标和/或损失指标的情况下，按这样的方式调整用于造成流体不稳定性的器件的振幅和/或频率，即，使得液压机械在预定的液压工作点获得最佳效率。
下面借助附图所示实施例进一步说明本发明，附图中
图1为带有可调叶片的水轮机的局部垂直剖面图；图2为流体在导向叶片区域内转向的示意图；图3a-3c示出机械振动器的三种实施例；图4a为本发明控制方法的流程图；图4b为本发明调整方法的流程图。
图1示出一种专用的液压设备，亦即一种带有可调叶片的卡普兰式水轮机或螺旋浆。不过本发明并不限于在此类流体机械中应用，而是可通用于各种类型的液压机械。
图1中示出的液压设备10包括一个流体通道12，水在其中从一个上部水位流向设备10的上游端并到达在下游的排出区16。设备10包括一个具有轮毂20的水轮机18，轮毂有纵轴线22，此外有多个可调地装在轮毂20上的工作叶片24。每个叶片24可绕一条旋转轴线26扭转，该旋转轴线26基本上垂直于纵轴线22延伸。在本实施例中示出水轮机18垂直放置。但本发明也可以应用于那些其纵轴线根据流体通道12的设计相对于垂直线倾斜一个角度的涡轮机，例如可以是具有水平纵轴线的水轮机。此外，旋转轴线26相对于纵轴线22也可以是倾斜的，并不一定非要垂直于纵轴线延伸。
在上游端14与旋转轴线26之间有一排出环27，它使水流从上游端14转向水轮机18。设备10包括许多进口叶片或导向叶片28，它们可以扭转，以便调整导向流体通道12的水流的方向，此外设备10还包括一些固定叶片30，它们用于支承设备10位于水轮机18上方的部分，亦即止推轴承32、发电机34、配属的控制系统以及一些一般设在发电厂内的构件，其中一些总体上被称为调节器。
图2表示本发明方法的基本原理。
图中可以看到液压机械的导向叶片28，它们促使沿流动方向100流动的液态介质通过型面绕流偏转一个角度α之后，沿方向102流往工作轮的工作叶片24。
液压机械的效率和工作范围主要取决于流体100的转向和尽可能完全实现朝工作轮24的偏转角度α。发明人现已认识到，转向稳定化的困难在于流动型线有离体倾向。可以采取如下措施实现稳定化并因而改善转向，即力求使绕流型面有更稳定的系留特性。按本发明为达到这一点，在回转区的边界层内或在转向器件(在这里是导向叶片28)附近，将能量加入在转向器件处形成的边界层内。能量的加入可以用不同的方式实现。
例如，可以如图3a所示令导向叶片28实施在图示两个位置106、108之间的绕轴线104的扭转振动。
与之不同地也可以选择如图3b所示，令导向叶片28不是摆动而是被激励脉动。在这种情况下例如通过周期性地供入和排出工作介质，例如水，或通过周期性的表面变化，来改变导向叶片的外周轮廓110。
除了图3a和3b所表示的机械激振外，还可以如图3c所示，使导向叶片28通过在叶片上加工出的孔112排出液体。液体的排出同样可以周期性进行，由此通过引入另一股流体在转向区内供入液压能量。
除了在图3a至3c中所表示的在导向叶片28转向区内供入能量的那些可能性外(这些可能性绝不应认为是全部)，还可以设想其他的供能方式。
例如可以早在转向区前就通过安装紊流发生器，例如紊流丝(Turbulenzdrahte)来稳定流体的流动。
转向区内边界层的能量富集也可以通过对供入的声能或供入的电磁能进行能量转换来实现。在供入声能的情况下例如可考虑采用微波发生器。
如图3a和3b所示的机械振动器和/或脉动器不仅可设想设在导向叶片本身上，而且也可以考虑设在转向区前或内的输入管壁上。这些实施形式在附图中没有示出。
除了上面已说明的液压机械外，本发明还提供一种对供入本发明液压机械的流体内的能量进行控制的控制和调整方法。
图4a表示本发明控制方法的流程图。首先，预定流体机器的液压工作点，该工作点通过一个或多个在图4a中举例说明的参数如落差、开度、下游水位确定。基于预定的液压工作点，借助控制器200并利用其中的一个表示液压工作点与振幅/频率值之间关系的特性曲线族202，对用于造成在流体转向区内流动不稳定的器件的能量输入振幅和/或频率值予以确定，使液压机器204在此预定的液压工作点获得最佳效率。存储在控制器200内的液压机械204的特性曲线族通过测量和/或计算获得。
图4b表示一种对供入本发明液压机械的流体内的能量进行控制的调整方法，其中在一个自适应过程中实现效率的最佳化。如已在上面予以阐述的控制中那样，机器的液压工作点借助于特征参数例如落差、开度、下游水位或许还有导向叶片位置来预定。此外测量液压机械的某些损失指标和/或输出功率。在这里损失指标指的是一些显示损失的流动现象，例如气蚀、振动和压力脉动。利用这些通过测量技术获得的参数或输出功率测值，用于在一封闭式调整回路内借助调节器300和其所执行的调节算法、与外部边界条件无关地对造成流动不稳定的器件所供入能量的频率和/或振幅进行调整，使液压机器302在预定的液压工作点获得最佳效率。除了优化效率外，也可选择另外或与此同时借助于图4b所示的本发明的调节方法对液压机械的其他一些参数-例如运转平稳性进行优化。
权利要求
1.一种尤其在液压流体机械中用于增大工作范围或增大被导引流体转向的方法，其特征在于为了增大工作范围或增大在回转区内的转向，增大流体流动的不稳定性。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述流体流动的不稳定性通过供入能量增大。
3.按照权利要求2所述的方法，其特征在于从外部向流体供能。
4.按照权利要求3所述的方法，其特征在于通过转换机械能往流体内供入能量。
5.按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于借助于液压能和/或声能向流体内供入能量。
6.按照权利要求2至4中任一项所述的方法，其特征在于通过在转向区前的流动流体中安装紊流发生器，向转向区的流动流体内供入能量。
7.一种液压机械，尤其是涡轮机，它具有7.1至少一个供液态介质在其上转向的叶片；此液压机械的特征在于7.2设有在流体转向区内造成流动流体不稳定的器件。
8.按照权利要求7所述的液压机械，其特征在于所述造成不稳定性的器件包括用于将机械能转换为液压能或流动能的器件。
9.按照权利要求8所述的液压机械，其特征在于所述用于转换机械能的器件包括振动和/或脉动的叶片或叶片的一部分或叶片表面。
10.按照权利要求7至9中任一项所述的液压机械，其特征在于所述用于转换机械能的器件包括在转向区前或内输入管壁上的振动器和/或脉动器。
11.按照权利要求7-10中任一项所述的液压机械，其特征在于所述器件包括转向区内的构件随时间改变的局部表面。
12.按照权利要求7至11中任一项所述的液压机械，其特征在于所述造成不稳定性的器件包括将液压能转换为流动能的器件。
13.按照权利要求7-12中任一项所述的液压机械，其特征在于所述造成不稳定性的器件包括将声能或电磁能转换为流动能的器件。
14.一种对供入按照权利要求7至13中任一项所述的液压机械流体内的能量进行控制的控制方法，它包括下列步骤14.1预定一个液压工作点；14.2在预定的液压工作点，借助一个特性曲线族对造成流体流动不稳定的器件的振幅和/或频率进行调节，使液压机器在预定的液压工作点获得最佳效率。
15.按照权利要求14所述的控制方法，其特征在于所述液压工作点至少通过下列参数之一来确定-落差-开度-下游水位-导向叶轮位置。
16.一种对供入按照权利要求7至13中任一项所述的液压机械流体内的能量进行调节的调节方法，它包括下列步骤16.1预定一个液压工作点；16.2持续求出液压机械的一些损失指标和/或功率参数，并将它们输入一个调节器中；16.3借助一个调节算法，根据预定的工作点和反馈的损失指标和/或功率参数，对造成不稳定性的器件的振幅和/或频率进行调节，使该液压机器在预定的液压工作点获得最佳效率。
17.按照权利要求16所述的调节方法，其特征在于所述液压工作点至少通过下列参数之一来确定，-落差-开度-下游水位-导向叶轮位置。
18.按照权利要求16或17所述的调节方法，其特征在于所反馈的损失指标至少是下列参数之一，-气蚀-振动-压力脉动。
19.按照权利要求16至18中任一项所述的调节方法，其特征在于所反馈的功率参数是电功率输出。
全文摘要
本发明涉及一种尤其在液压机械中增大工作范围或增大被导引流体转向的方法。本发明的特征在于,为了增大工作范围或增大流体在回转区内的转向,增加流动流体内的不稳定性。
文档编号F03B15/06GK1344352SQ00803732
公开日2002年4月10日 申请日期2000年2月7日 优先权日1999年2月13日
发明者鲁道夫·希林, 埃伯哈德·科夫 申请人:沃依特·西门子水力发电两和公司