專(zhuān)利名稱(chēng)：可動(dòng)葉片水力機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種如同卡普蘭式水輪機(jī)那樣的可動(dòng)葉片水力機(jī)、它的制造方法及可動(dòng)葉片水力機(jī)的葉輪葉片。


圖12是作為一種可動(dòng)葉片水力機(jī)的卡普蘭式水輪機(jī)的大致結(jié)構(gòu)圖，從圖中未示出的上池流入筒道1內(nèi)的水由導(dǎo)流片2整流后通過(guò)葉輪葉片3，借助于安裝有該葉輪葉片3的葉輪轂4，使與該葉輪轂4相連接的回轉(zhuǎn)主軸5回轉(zhuǎn)，此后經(jīng)過(guò)吸出管6排出到圖中未示出的下池。
葉輪由多個(gè)葉輪葉片3相對(duì)于葉輪轂4沿放射方向安裝而構(gòu)成，使各葉輪葉片3以與回轉(zhuǎn)主軸5的軸線(xiàn)L垂直相交的葉片軸M的軸線(xiàn)為中心地回轉(zhuǎn)，以控制葉輪葉片3的傾斜角度。此外，在設(shè)置有上述葉輪的靜水流回路中，具有設(shè)于葉輪的外周、與葉輪葉片3的前端部、即與頂部端面3a間的間隙盡可能狹小的排出環(huán)7。
此排出環(huán)7以與回轉(zhuǎn)主軸5垂直相交的、包含葉片軸的軸線(xiàn)M的平面為界上下分割，由游側(cè)排出環(huán)7a與下游側(cè)排出環(huán)7b構(gòu)成。此外，如前所述那樣，為使葉輪葉片3的頂部端面3a與排出環(huán)7間的間隙狹小，葉輪葉片3的頂部端面3a形成以前述回轉(zhuǎn)主軸5的軸線(xiàn)L與葉片軸的軸線(xiàn)M的交點(diǎn)為中心的球面狀，與此相對(duì)應(yīng)，下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)周面也形成以中心是與葉輪葉片3的頂部端面3a的球面中心為同一點(diǎn)的，即以軸線(xiàn)L與葉片軸的軸線(xiàn)M的交點(diǎn)為中心的僅半徑略大的球面狀。這樣，上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)表面做成在拆卸葉輪時(shí)、能夠使葉輪向上方提升的圓筒面。
但是，由于在這種卡普蘭式水輪機(jī)動(dòng)作時(shí)，各葉輪葉片3從其全閉狀態(tài)加大傾斜角度時(shí)，在與軸線(xiàn)L垂直相交并包含軸線(xiàn)M的平面的下游側(cè)，葉輪葉片3的頂部端面3a與作為靜止部的下游側(cè)排出環(huán)7b間的間隔變成一定，而在上述平面的上游側(cè)、頂部端面3a與上游側(cè)排出環(huán)7a之間的間隔則越往葉片前端越寬，會(huì)有水流泄漏，因而使水輪機(jī)的效率降低。
圖13為圖12所示的卡普蘭式水輪機(jī)的葉輪葉片3及周邊有關(guān)部分放大圖。葉輪葉片3的頂部端面3a作成半徑為R的球面。上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)表面呈半徑為Rd的圓筒面，下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)表面呈半徑為Rd的球面。其中，半徑Rd比半徑R略大。相同符號(hào)表示與圖12中同一種零件。圖13(b)為在葉輪葉片3的傾斜角度變大的場(chǎng)合下，從圖13(a)的箭頭Z的方向，即從葉片軸的軸線(xiàn)方向所見(jiàn)到的葉輪葉片圖。此圖13(b)中的線(xiàn)L相當(dāng)于圖13(a)的主軸5的軸線(xiàn)L。MM表示包含軸線(xiàn)M并與軸線(xiàn)L垂直的平面。其中，3a是頂部端面、表示從箭頭Z方向所見(jiàn)到的葉輪葉片3的頂部的端面形狀。與排出環(huán)7的間隔為一定的部分以斜的剖面線(xiàn)標(biāo)注，線(xiàn)MM上游側(cè)未標(biāo)剖面線(xiàn)的理由是，因?yàn)樯嫌蝹?cè)的排出環(huán)7a為圓筒面、與葉輪葉片頂部的端面3a之間的間隔變寬。
此外，在頂部端面的最大直徑為D0時(shí)，上游側(cè)排出環(huán)7a的圓筒面的直徑盡可能接近D0的結(jié)構(gòu)，能減少水流泄漏以阻止效率的降低，但在葉輪拆卸或檢修時(shí)將葉輪向上提升時(shí)、會(huì)因葉輪葉片3外周的最大直徑與靜止壁的最小直徑的差值太小而造成提升作業(yè)困難。
因此，有將上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)表面制成向上直徑稍稍增大的倒圓錐形狀的結(jié)構(gòu)，但在這種情況下容易將葉輪向上方提升，頂部端面與上游側(cè)排出環(huán)7a的間隔變成更寬，增加了水流的泄漏，從而降低了水輪機(jī)的效率。再者，這種水流泄漏的增大會(huì)產(chǎn)生氣蝕作用，會(huì)使葉輪葉片表面發(fā)生腐蝕。
在圖13所示的卡普蘭式水輪機(jī)中，球面狀的下游側(cè)排出環(huán)7b與吸出管6相連接的部分向流路側(cè)突出，形成喉部P。因此水流在上述喉部P的上游由于斷面積頸縮而增速，但在通過(guò)喉部P后，由于斷面積變寬而減速。在具有這樣的喉部P時(shí)，由于流速在一度增速后又減速，因而與單純減速的情況相比會(huì)發(fā)生多余的流動(dòng)損失。
此外，也有在頂部端面中為了防止由水流泄漏引起的水輪機(jī)效率的下降，提出一種將上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)表面作成球面、將下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)表面作成圓筒面或作成角度為10度以下的圓錐面的螺旋槳葉式水輪機(jī)(特開(kāi)昭61-61981號(hào)公報(bào))。雖然在葉輪葉片的傾斜角度增大時(shí)，頂部端面與下游的圓筒面或圓錐面之間的間隔變寬，但由葉輪葉片的壓力面、負(fù)壓面的壓力差值是葉片的下游側(cè)比上游側(cè)小，因而圖13所示的卡普蘭式水輪機(jī)水流泄漏更少、改善了效率降低，但未能改善間隔寬的問(wèn)題。特別是在下游側(cè)排出環(huán)為圓錐面的場(chǎng)合下，由于與葉輪葉片頂部端面的間隔比圓筒面時(shí)更大，因而產(chǎn)生比圖13所示的卡普蘭式水輪機(jī)更多的水流泄漏，有效率降低的可能性。
作為解決以上的圖13所示的圓筒形的上游側(cè)排出環(huán)與球面下游側(cè)排出環(huán)所引起的卡普蘭式水輪機(jī)所存在的問(wèn)題的方法，提出了如圖14所示的卡普蘭式水輪機(jī)。即，將上游側(cè)排出環(huán)7a、下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)表面均加工成球面。其半徑Rd比圖13的場(chǎng)合同樣的葉輪葉片3的頂部端面的半徑R略大。在圖14(b)中，是與前述圖13(b)相同、表示在葉輪葉片3的傾斜角變大時(shí)，從圖14(a)的箭頭Z方向所見(jiàn)到的葉輪葉片圖。其中，與排出環(huán)7成一定間隔部分以斜的剖面線(xiàn)表示，與圖13(b)不同，圖14(b)中的頂部端面3a全部用剖面線(xiàn)表示，表示葉輪葉片3的頂部端面3a與排出環(huán)的間隔為一定。即由于上游側(cè)排出環(huán)7a、下游側(cè)排出環(huán)7b內(nèi)表面均為球面，因而頂部端面3a在全部區(qū)域中與葉輪葉片的頂部端面3a間的距離等于Rd-R。而且，即使葉輪葉片的傾斜角度變化，這種關(guān)系也不會(huì)變化。
但是，在圖14所示的卡普蘭式水輪機(jī)中，有以下的問(wèn)題。即上游側(cè)排出環(huán)7a與下游側(cè)排出環(huán)7b的最小半徑，即將這些內(nèi)表面投影在與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直的平面時(shí)的半徑比排出環(huán)球面的半徑Rd小，此外由于不管葉輪葉片3的傾斜角度變成什么角度，其頂部端面3a在與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L相垂直的平面上投影的半徑大于前述排出環(huán)的最小半徑，因而葉片3已安裝在葉輪轂4上的狀態(tài)下不能向上方(即發(fā)電機(jī)方向)及下面(即吸出管方向)移動(dòng)。因此，通常作成這樣的結(jié)構(gòu)，即為了將葉輪葉片3向上方抽出、在進(jìn)行葉輪葉片3的拆卸之前，先將排出環(huán)7a拆卸的結(jié)構(gòu)。因此，與圖13的卡普蘭式水輪機(jī)相比，圖14的卡普蘭式水輪機(jī)的上游側(cè)排出環(huán)7a周邊的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，其結(jié)果使制作成本提高，同時(shí)有葉輪葉片3的拆卸、安裝時(shí)間加長(zhǎng)等問(wèn)題。因此，這種卡普蘭式水輪機(jī)以往基本不生產(chǎn)。
本發(fā)明是為了解決上述問(wèn)題而作出的，其目的是提供一種在葉輪的拆卸、檢修時(shí)能夠容易取出葉輪，同時(shí)能降低從葉輪外周部水流的泄漏，由此能夠抑制水力機(jī)效果的降低及氣蝕作用的發(fā)生的可動(dòng)葉片水力機(jī)及其制造方法和這種水力機(jī)用葉輪葉片。
為了達(dá)到上述發(fā)明目的而作出的本發(fā)明可動(dòng)葉片水力機(jī)的第1方案是，其具有把能以各葉片軸為中心回轉(zhuǎn)的多個(gè)葉片沿放射方向設(shè)置的葉輪，其特征為，上述葉輪葉片的頂部端面形成以葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)和葉片軸的軸線(xiàn)的交點(diǎn)為中心的球面狀，同時(shí)在葉輪葉片全閉時(shí)、該葉輪葉片的頂部端面投影在與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上的最大半徑，比上述頂部端面的球面半徑小。
第2方案的特征為，在第1方案中，在葉輪外周設(shè)置的排出環(huán)由其內(nèi)表面形成圓筒面或圓錐面狀的部分、以及其內(nèi)表面形成與上述圓筒面或圓錐面相連接、以與上述葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一的點(diǎn)作為中心、半徑比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑略大的球面狀部分構(gòu)成；形成上述圓筒面或圓錐面狀部分的最小半徑Rdmin比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑小，并且比葉輪葉片全閉時(shí)、該葉輪葉片的頂部端面投影于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上時(shí)的最大半徑還大。
第3方案的特征為，在第2方案中，排出環(huán)中形成圓筒面或圓錐面狀部分與形成球面狀部分的連接部是相對(duì)于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)的平面偏移的。
第4方案的特征為，在第1或第2方案中，葉輪葉片全閉時(shí)的葉輪葉片的頂部端面位置是在相對(duì)于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)平面的通水路的低壓側(cè)。
第5方案的特征為，在第4方案中，在葉輪葉片全開(kāi)時(shí)，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)的平面朝通水路的高壓側(cè)突出的。
第6方案的特征為在第1或第2方案中，葉輪葉片全閉時(shí)的葉輪葉片的頂部端面位置是在與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)平面相對(duì)的通水路的高壓側(cè)。
第7方案的特征為，在第6方案中，在葉輪葉片全開(kāi)時(shí)，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)的平面朝通水路的低壓側(cè)突出的。
第8方案的特征為，在第1方案中，葉輪葉片的葉片軸的軸線(xiàn)是在包含葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)及葉片軸的軸線(xiàn)的平面中、相對(duì)于與上述葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的直線(xiàn)而傾斜的。
第9方案的特征為，在第6方案中，設(shè)置在葉輪外周的排出環(huán)的內(nèi)表面形成球面狀，它是以葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一點(diǎn)作為中心，半徑比上述葉輪葉片的頂部端面的球面的半徑略大的，同時(shí)其球面與設(shè)置于葉輪低壓側(cè)的吸出管的內(nèi)表面平滑地連接。
第10方案為一種可動(dòng)葉片水力機(jī)的制造方法，其特征為，使突起部分從葉輪葉片的葉片面或頂部端面沿葉片軸的軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)突出，由上述葉片軸及突起部的端部保持葉輪葉片而進(jìn)行軸對(duì)稱(chēng)面的加工，此后除去上述突起部，以加工上述權(quán)利要求1所述的葉輪葉片。
第11方案為，一種可動(dòng)葉片水力機(jī)用葉輪葉片，其特征為，它是能以各個(gè)葉片軸為中心地回轉(zhuǎn)且相對(duì)于葉輪轂沿放射方向設(shè)置而構(gòu)成葉輪的，其特征為，葉輪葉片的頂部端面形成球面狀，其是以葉輪的回轉(zhuǎn)主軸之軸線(xiàn)與葉片軸之軸線(xiàn)的交點(diǎn)為中心的，在葉輪葉片全閉時(shí)，該葉輪葉片的頂部端面投影于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上時(shí)的最大半徑比上述頂部端面的球面的半徑小，各個(gè)葉輪葉片由葉片部和葉片軸構(gòu)成，在葉片部的葉輪轂側(cè)端面上，以端面與上述葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)垂直相交的方式突出設(shè)置有圓柱狀突起，該圓柱狀突起設(shè)置于葉片軸的前端，底面插入固定于與葉片軸的軸線(xiàn)傾斜相交的孔內(nèi)。
由于本發(fā)明具有上述結(jié)構(gòu)，因而在具有可動(dòng)葉片的水力機(jī)中、進(jìn)行拆卸和維修時(shí)，能將葉輪葉片及葉輪轂保持在組裝狀態(tài)下容易地取到外部，同時(shí)可以降低由各個(gè)葉輪葉片的頂部端面的泄漏，抑制由于泄漏造成的水力機(jī)的效率降低及氣蝕作用的產(chǎn)生。
圖1為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第1實(shí)施例示意圖，圖2為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第2實(shí)施例示意圖，圖3(a)為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第3實(shí)施例示意圖，圖3(b)為圖3(a)的Z方向視圖，圖4為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第4實(shí)施例示意圖，圖5是用來(lái)表示本發(fā)明效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖，圖6(a)為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第5實(shí)施例示意圖，圖6(b)為圖6(a)的Z方向視圖，圖7為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第6實(shí)施例示意圖，圖8為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第7實(shí)施例示意圖，圖9為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第8實(shí)施例示意圖，圖10(a)、(b)、(c)是表示本發(fā)明可動(dòng)葉片水力機(jī)的葉輪葉片制造方法示意圖，圖11為本發(fā)明使用的葉輪葉片的局部剖視圖，圖12為以往的可動(dòng)葉片水力機(jī)的簡(jiǎn)略結(jié)構(gòu)圖，圖13(a)為圖12的葉輪葉片周?chē)姆糯髨D，圖13(b)為圖13(a)的Z方向視圖。
圖14為以往的可動(dòng)葉片水力機(jī)另一例子的示意圖。
下面，參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明，圖中與圖13相同部分以相同符號(hào)示出并省略對(duì)其詳細(xì)說(shuō)明。
圖1為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第1實(shí)施例示意圖，葉輪是由相對(duì)葉輪轂4沿放射方向安裝多個(gè)葉輪葉片3而構(gòu)成，各葉輪葉片3以與水力機(jī)的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交的葉片軸的軸線(xiàn)M為中心而回轉(zhuǎn)，由此控制葉輪葉片3的傾斜角度。
上述各葉輪葉片3的頂部端面3a形成以回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L和葉片軸的軸線(xiàn)M的交點(diǎn)為中心、半徑為R的球面狀。而且，上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)周面形成半徑Rd比形成葉輪葉片3的頂部端面3a的球面半徑R略大的圓筒，下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)周面加工成半徑為Rd的球面。
至此，是與圖13所示的以往的可動(dòng)葉片水力機(jī)相同的，但在本實(shí)施例中，葉輪葉片3在全閉位置時(shí)如虛線(xiàn)3c所示，葉片外周的頂部端面向上游側(cè)排出環(huán)7a的方向偏移。即在葉輪葉片3全閉時(shí)，葉片部的軸線(xiàn)V相對(duì)于與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交并含有葉片軸的軸線(xiàn)M的平面向高壓側(cè)傾斜。因此，在葉輪葉片3全閉，投影在垂直于葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L的平面上時(shí)的葉輪最大半徑Rc，通常比頂部端面的球面半徑R小。
而在圖13所示的可動(dòng)葉片水力機(jī)中，由于葉輪葉片3的頂部端面3a大致在葉輪葉片3的葉片軸的軸線(xiàn)M的延長(zhǎng)線(xiàn)上，葉輪葉片3的角度無(wú)論是什么角度，葉輪葉片投影在與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L相垂直的平面上時(shí)的最大半徑Rc，通常與頂部端面的半徑R相等。
與此相對(duì)，在該第1實(shí)施例中，投影在與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L相垂直的平面上的葉輪葉片的最大半徑Rc根據(jù)其角度而變化，在全閉位置為最小，成為Rc＜R。因此、在把葉輪葉片3與葉輪轂4朝圖中的上方抽出場(chǎng)合下，能夠在相對(duì)于半徑R稍微略大的半徑Rd的上游側(cè)排出環(huán)7a內(nèi)有余量地通過(guò)，在拆卸組裝葉輪時(shí)可容易地在葉輪葉片3與葉輪轂4仍在組裝的狀態(tài)下進(jìn)行向上抽出的作業(yè)。
而且，在葉輪葉片的角度變化時(shí)，由于葉輪葉片3的頂部端面3a在半徑為R的球面上移動(dòng)，因而與球面狀的排出環(huán)，即與下游側(cè)排出環(huán)7b間的間隙能與以往的可動(dòng)葉片水力機(jī)同樣地保持一定，能夠?qū)⑺鞯男孤┍３衷谧钚∠蕖?br> 此外，在上述說(shuō)明中，是對(duì)葉輪葉片在全閉位置中頂部端面處于上游側(cè)排出環(huán)一側(cè)的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但也可以使頂部端面位于下游側(cè)排出環(huán)一側(cè)。
圖2為本發(fā)明的可動(dòng)葉片水力機(jī)的第2實(shí)施例示意圖，相對(duì)于圖1所示的可動(dòng)葉片水力機(jī)，上游側(cè)排出環(huán)7a與下游側(cè)排出環(huán)7b的連接部相對(duì)于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交且包含葉片軸的軸線(xiàn)M的平面向高壓側(cè)偏移。因此，這種場(chǎng)合下的上游側(cè)排出環(huán)7a的半徑Rdmin比下游側(cè)排出環(huán)7b的球面半徑Rd小，結(jié)果，下游側(cè)排出環(huán)7b的球面狀部超過(guò)上述含有葉片軸的軸線(xiàn)M的平面地延伸到高壓側(cè)。
即，在本實(shí)施例中，投影在與回轉(zhuǎn)軸的軸線(xiàn)L垂直相交的平面上的葉輪最大半徑也是因葉片角度而變化，在全閉位置變?yōu)樽钚　Ｒ虼?，為了葉輪從其中順利通過(guò)、只要上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)徑Rdmin比上述全閉狀態(tài)下的葉輪最大半徑Rc大，其可以比下游側(cè)排出環(huán)7b的球面半徑Rd小。
在本實(shí)施例中，構(gòu)成Rd＞R＞Rdmin＞Rc的關(guān)系。
于是，在這種場(chǎng)合，拆卸、組裝葉輪時(shí)，能夠?qū)⑷~輪葉片3與葉輪轂4仍處于組裝的狀態(tài)下、從相對(duì)全閉位置的葉輪最大半徑Rc稍微略大的Rdmin的上游側(cè)排出環(huán)7a內(nèi)向上方抽出。而且，由于內(nèi)周為圓筒狀的上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)徑可以較小，因而能將由下游側(cè)排出環(huán)7b構(gòu)成的球面部范圍增大，能夠抑制由于頂部端面與排出環(huán)之間的間隙引起的水流泄漏而造成的效率降低及氣蝕作用的發(fā)生。
雖然在上述說(shuō)明中，對(duì)在全閉位置的頂部端面處于上游側(cè)排出環(huán)一側(cè)的情況進(jìn)行了說(shuō)明，但其位于下游側(cè)時(shí)也可獲得同樣的效果。
即，圖3是葉輪葉片3在全閉位置的情況，是使其頂部端面相對(duì)于包含上述葉片軸的軸線(xiàn)M的平面位于低壓側(cè)的結(jié)構(gòu)，其他與圖2所示水輪機(jī)相同。
于是，在這種情況下，由于上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)徑Rdmin比葉輪葉片3位于全閉位置的葉輪半徑Rc略大，因而在葉輪葉片3與葉輪轂4組裝的狀態(tài)下可以容易地向上方抽出。
而且，球面狀的下游側(cè)排出環(huán)7b可以延長(zhǎng)到葉輪葉片的葉片軸的上方，葉輪葉片的角度增加，直到其姿態(tài)成為圖3的3d(點(diǎn)劃線(xiàn)所示)，葉輪葉片3的頂部端面與排出環(huán)的間隙在整個(gè)頂部端面上，一直保持一定的Rd-R的狹窄間隙。
即，如圖3(b)所示，在葉輪葉片3的姿態(tài)成為前述的3d姿態(tài)時(shí)，葉輪葉片3從圖3的(a)的箭頭Z方向所見(jiàn)到的形狀如圖所示那樣。其中，也將與排出環(huán)7的間隔為一定的部分以斜的剖面線(xiàn)標(biāo)注，如前所述，由于在姿態(tài)3d時(shí)葉輪葉片3與排出環(huán)7之間的間隔Rd-R是一定的，因而頂部端面3a全部打上剖面線(xiàn)。
如上所述，圖3的實(shí)施例與以往的結(jié)構(gòu)相比，可以抑制由于水流的泄漏引起的效率降低和氣蝕作用的發(fā)生。
圖4為圖1的變形例示意圖，使葉輪葉片3全閉時(shí)的頂部端面3a處于與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)M的平面下游側(cè)。而且，葉輪葉片即使在全開(kāi)狀態(tài)下葉輪葉片也如雙點(diǎn)劃線(xiàn)3d所示，此時(shí)葉輪葉片的頂部端面不高出上述平面高壓側(cè)。其他結(jié)構(gòu)與圖1所示水輪機(jī)相同。
于是，在這種場(chǎng)合下，投影于與回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上的葉輪最大半徑在葉輪葉片全閉位置為最小，通過(guò)使葉輪葉片成為全閉狀態(tài)，能夠在葉輪葉片3與葉輪轂4組裝狀態(tài)下容易地將其向圖中的上方(高壓側(cè))抽出。而且，葉輪葉片3的頂部端面與排出環(huán)的間隙在葉輪葉片的角度從全閉至全開(kāi)的全部范圍中保持Rd-R的狹窄間隙，限制了由于頂部端面與排出環(huán)之間的間隙引起的水流泄漏，能夠抑制因這種泄漏造成的效率降低及氣蝕作用的發(fā)生。
圖5為表示本發(fā)明效果的實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線(xiàn)圖。實(shí)驗(yàn)是制作與實(shí)物水輪機(jī)幾何相似的模型卡普蘭式水輪機(jī)并使用能正確測(cè)定模型特性的試驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行的。
對(duì)2種葉輪葉片進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。一種葉輪葉片是與圖13所示以往的卡普蘭式水輪機(jī)相同的葉輪葉片，全閉時(shí)的葉輪葉片頂部端面大致在葉片軸的軸線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)上。另一種葉輪葉片與本發(fā)明第4實(shí)施例的葉輪葉片相當(dāng)，全閉時(shí)的葉輪葉片頂部端面在葉片軸的軸線(xiàn)下游側(cè)。
圖中的點(diǎn)是表示對(duì)3種葉輪葉片的傾斜角度θ1、θ2、θ3、根據(jù)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)數(shù)、設(shè)計(jì)有效落差、在使圖13所說(shuō)的導(dǎo)流片2的姿態(tài)發(fā)生變化情況下的特性。橫軸是把最高效率點(diǎn)的流量Q0取為1.0，將測(cè)定的流量Q處理成無(wú)量綱流量Q/Q0；豎軸是把以往葉輪葉片的最高效率η0取為1.0，將測(cè)定的效率η處理成無(wú)量綱效率η/η0。
在可動(dòng)葉片卡普蘭式水輪機(jī)的情況下，以效率最高的葉輪葉片傾斜角度θ及與導(dǎo)流片的姿態(tài)組合而運(yùn)行。圖中的虛線(xiàn)為實(shí)施時(shí)的效率變化。由本圖可知，在全部的流量中，本發(fā)明的葉輪葉片效率均高。其程度約相當(dāng)于最高效率點(diǎn)0.2％。
圖6是本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖，各葉輪葉片3的外周，即頂部端面形成半徑為R的球面，葉輪葉片3在全閉狀態(tài)時(shí)，使其頂部端面位于與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)M的平面高壓側(cè)。而且，上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)周加工成具有比葉輪的半徑R略大的半徑Rd的球面，下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)表面形成比投影在與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交的平面上的全閉狀態(tài)的葉輪的半徑Rc大，比上述半徑Rd小的半徑Rdmin的圓筒狀。因此，上游側(cè)排出環(huán)7a的球面與下游側(cè)排出環(huán)7b的圓筒狀部在包含上述軸線(xiàn)M的平面還低的低壓側(cè)連接。
于是，在這種情況下由于葉輪葉片3全閉時(shí)的葉輪最大半徑Rc比下游側(cè)排出環(huán)7b的半徑Rdmin小，因而在拆卸、組裝葉輪時(shí)，能在葉輪葉片3與葉輪轂4仍保持組裝狀態(tài)下容易地降到低壓側(cè)。而且，由于使形成球面狀的排出環(huán)位于包含葉片軸的軸線(xiàn)M的平面下方，即位于低壓側(cè)，葉輪葉片3的姿態(tài)直到處于圖6(a)的3d(點(diǎn)劃線(xiàn))位置，葉輪葉片的頂部端面與排出環(huán)的間隙也能保持為Rd-R的狹窄間隙。
即，如圖6(b)所示，葉輪葉片3的姿態(tài)成為前述的3d姿態(tài)的情況下，葉輪葉片3從圖6(a)的箭頭Z方向所見(jiàn)到的形狀如圖所示那樣。其中，也將與排出環(huán)7的間隙為一定的部分以斜的剖面線(xiàn)標(biāo)注，而如前所述，由于一直到姿態(tài)3d，葉輪葉片3與排出環(huán)7之間的間隔Rd-R均保持一定，所以頂部端面3a全部打上斜的剖面線(xiàn)。
因此，在頂部端面不從上游側(cè)排出環(huán)7a的下端伸出的范圍內(nèi)，限制了因頂部端面與排出環(huán)之間的間隙引起的泄漏，能夠抑制這種泄漏造成的效率降低及氣蝕作用的發(fā)生。
圖7為圖6變形例的視圖，上游側(cè)排出環(huán)7a的球面半徑和與其連接的下游側(cè)排出環(huán)7b的圓筒半徑都為Rd，比葉輪葉片3的頂部端面的球面R略大。另一方面，葉輪葉片3在其全閉位置如虛線(xiàn)3c所示，頂部端面3a位于含有葉片軸的軸線(xiàn)M的平面上方、即位于高壓側(cè)，并且即使在葉輪葉片全開(kāi)的圖中的雙點(diǎn)劃線(xiàn)所示狀態(tài)下，頂部端面也不會(huì)位于包含上述軸線(xiàn)M的平面下方、即不會(huì)位于低壓側(cè)。
于是，在拆卸、安裝葉輪時(shí)，通過(guò)使葉輪葉片成為全閉狀態(tài)，就能將葉輪葉片3與葉輪轂4保持在組裝的狀態(tài)下、非常容易地卸到下方。而且，葉輪葉片3的頂部端面3a與上游側(cè)排出環(huán)7a的間隙在葉片角度從全閉到全開(kāi)的范圍中維持在Rd-R的狹窄間隙。因而，限制了由于頂部端面與排出環(huán)的間隙引起的水流泄漏，抑制了由此造成的效率降低及氣蝕作用的發(fā)生。
圖8為本發(fā)明的第7實(shí)施例的示意圖，各葉輪葉片3的葉片軸的軸線(xiàn)M相對(duì)于與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交的平面傾斜角度θ，使葉輪葉片的頂部端面位于上方、即位于高壓側(cè)。而且，葉輪葉片的頂部端面形成半徑為R的球面狀。另一方面，上游側(cè)排出環(huán)7a的內(nèi)周形成半徑Rd的球面，與其下游側(cè)連接的下游側(cè)排出環(huán)7b的內(nèi)周形成半徑為Rdmin的圓筒狀，該半徑Rdmin比投影于與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交的平面上的、全閉狀態(tài)的葉輪的半徑Rc略大。
于是，在這種情況下葉輪葉片3全閉時(shí)的葉輪最大半徑也能比運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的最大半徑小，在拆卸、組裝葉輪時(shí)，通過(guò)使葉輪葉片成為全閉狀態(tài)，能夠?qū)⑷~輪葉片3與葉輪轂保持在組裝的狀態(tài)下容易地卸到下方。此外，由于能將上游側(cè)排出環(huán)7a的球面部與下游側(cè)排出環(huán)7b的半徑為Rdmin的圓筒狀部連接，因而葉輪葉片3的姿態(tài)從全閉到圖8的雙點(diǎn)劃線(xiàn)位置，頂部端面與排出環(huán)之間的間隙保持為Rd-R的狹窄間隙不變。因此，在頂部端面不從球面狀的排出環(huán)的下端伸出的范圍內(nèi)，能使水流的泄漏更少，抑制了由泄漏造成的效率降低及氣蝕作用的發(fā)生。而且，在本實(shí)施例的葉輪葉片中，由于葉片軸的軸線(xiàn)M相對(duì)于與回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)L垂直相交的平面成傾斜狀，因而不需要使葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)相對(duì)葉片軸的軸線(xiàn)傾斜，上述軸線(xiàn)M能以通過(guò)頂部端面的狀態(tài)形成，在葉輪葉片加工時(shí)可將葉輪葉片保持在上述軸線(xiàn)M上，能夠容易地進(jìn)行葉輪葉片的加工。
圖9為圖7所示實(shí)施例的變形例示意圖，上游側(cè)排出環(huán)7a直接連接吸出管6的上部，上游側(cè)排出環(huán)7a的球面與吸出管6的內(nèi)表面圓滑地連接。其他結(jié)構(gòu)與圖6所示水輪機(jī)相同。
于是，在這種情況下能得到與圖7所示水輪機(jī)相同的效果。而且在此實(shí)施例中，由于不象圖13所示的以往的可動(dòng)葉片水力機(jī)那樣，在球面狀的排出環(huán)與吸出管上部的連接部中形成突出在流路內(nèi)、使流路截面積變窄的喉部，從排出環(huán)到吸出管上部的截面積的變化單調(diào)地增加，因而流路內(nèi)的流速變化是單調(diào)的，可以防止產(chǎn)生格外的流動(dòng)損失。
圖10是圖1等各圖所示的在葉輪葉片全閉時(shí)，頂部端面3a相對(duì)于葉輪葉片軸3s的軸線(xiàn)M、向高壓側(cè)或低壓側(cè)偏移的葉輪葉片制造方法的說(shuō)明圖，圖10(a)是葉輪葉片3的俯視圖、圖10(b)是圖10(a)中從箭頭Z方向所見(jiàn)到的視圖。此外，圖10(c)是圖10(a)中箭頭Y方向所見(jiàn)到的視圖。
由于以往的可動(dòng)葉片水力機(jī)的葉輪葉片中，葉片軸3s的軸線(xiàn)M在葉輪葉片內(nèi)在其全長(zhǎng)上延伸，因而在加工以上述軸線(xiàn)M為對(duì)稱(chēng)軸的軸線(xiàn)對(duì)稱(chēng)面時(shí)，可通過(guò)在葉片軸3s的端面與頂部端面上設(shè)置回轉(zhuǎn)中心而進(jìn)行加工，但在本發(fā)明的圖1那樣的葉輪葉片中，由于葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)與軸線(xiàn)M不在同一軸線(xiàn)上、軸線(xiàn)M不從頂部端面通過(guò)，因而難進(jìn)行把葉片軸3s作為對(duì)稱(chēng)軸的軸對(duì)稱(chēng)面的加工。
因此，在本實(shí)施例中，在葉輪葉片3的頂部的葉片面或頂部端面上設(shè)置位于軸線(xiàn)M上的加工用突起12，將該加工用突起12與葉片軸3s的端部支持后進(jìn)行軸對(duì)稱(chēng)面的加工，在軸對(duì)稱(chēng)面的加工結(jié)束后除去該加工用突起12。此外，可以將葉輪葉片的頂部端面上、為防止氣蝕作用的腐蝕所使用的嵌條延長(zhǎng)到與頂部端面相對(duì)應(yīng)處來(lái)替代上述加工用突起12。
于是，使用加工用突起12的端面與葉片軸3s的端面，通過(guò)葉輪葉片用的夾具的支撐，能夠容易地進(jìn)行以葉片軸3s的軸線(xiàn)M為對(duì)稱(chēng)軸的軸對(duì)稱(chēng)面加工。此外，由于加工后除去此突起，因而在水力機(jī)完成時(shí)對(duì)性能等的影響基本沒(méi)有。
圖11為本發(fā)明第1實(shí)施例等使用的葉輪葉片的局部剖視圖，葉輪葉片3能夠分解成葉片部3f與作為葉輪葉片軸的葉片軸3s而分別加工。
即，在葉片部3f的基端面上，突出設(shè)置著圓柱狀突起13，其具有與葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)N垂直相交的端面。另一方面，在葉片軸3s的前端面上形成凹部14，其有與葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)N垂直相交的底面a，并與上述圓柱狀突起13對(duì)應(yīng)，該葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)N相對(duì)該軸線(xiàn)M成傾斜狀。于是，將上述圓柱狀突起13插入凹部14，通過(guò)螺栓15將兩者連接就構(gòu)成一個(gè)葉輪葉片3。
由此，在此葉輪葉片3的加工中，能與葉片軸3s區(qū)分地以基準(zhǔn)軸線(xiàn)N為基準(zhǔn)地加工各葉片部3f，使其與在全閉時(shí)的葉輪葉片頂部端面與葉片軸的軸線(xiàn)M位置大致一致的以往葉輪葉片的加工方法完全相同，從而能容易地進(jìn)行加工。但是，在葉輪葉片3的葉片軸部的加工中，需要進(jìn)行相對(duì)該軸線(xiàn)M的傾斜面及孔的加工，但由于回轉(zhuǎn)支撐部的尺寸比一張葉輪葉要小，因而其加工容易進(jìn)行。
由于本發(fā)明具有上述結(jié)構(gòu)，因而在具有可動(dòng)葉片的水力機(jī)中、進(jìn)行拆卸和維修時(shí)，能將葉輪葉片及葉輪轂保持在組裝狀態(tài)下容易地取到外部，同時(shí)可以降低由各個(gè)葉輪葉片的頂部端面的泄漏，抑制由于泄漏造成的水力機(jī)的效率降低及氣蝕作用的產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種可動(dòng)葉片水力機(jī)，其具有把能以各葉片軸為中心回轉(zhuǎn)的多個(gè)葉片沿放射方向設(shè)置的葉輪，其特征為，上述葉輪葉片的頂部端面形成以葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)和葉片軸的軸線(xiàn)的交點(diǎn)為中心的球面狀，同時(shí)在葉輪葉片全閉時(shí)、該葉輪葉片的頂部端面投影在與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上的最大半徑，比上述頂部端面的球面半徑小。
2.如權(quán)利要求1所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，在葉輪外周設(shè)置的排出環(huán)由其內(nèi)表面形成圓筒面或圓錐面狀的部分、以及其內(nèi)表面形成與上述圓筒面或圓錐面相連接、以與上述葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一的點(diǎn)作為中心、半徑比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑略大的球面狀部分構(gòu)成；形成上述圓筒面或圓錐面狀部分的最小半徑Rdmin比葉輪葉片的頂部端面的球面半徑小，并且比葉輪葉片全閉時(shí)、該葉輪葉片的頂部端面投影于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上時(shí)的最大半徑還大。
3.如權(quán)利要求2所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，排出環(huán)中形成圓筒面或圓錐面狀部分與形成球面狀部分的連接部是相對(duì)于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)的平面偏移的。
4.如權(quán)利要求1或2所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，葉輪葉片全閉時(shí)的葉輪葉片的頂部端面位置是在相對(duì)于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)平面的通水路的低壓側(cè)。
5.如權(quán)利要求4所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，在葉輪葉片全開(kāi)時(shí)，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)的平面朝通水路的高壓側(cè)突出的。
6.如權(quán)利要求1或2所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，葉輪葉片全閉時(shí)的葉輪葉片的頂部端面位置是在與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)平面相對(duì)的通水路的高壓側(cè)。
7.如權(quán)利要求6所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，在葉輪葉片全開(kāi)時(shí)，葉輪葉片的頂部端面是不從與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交并包含葉片軸的軸線(xiàn)的平面朝通水路的低壓側(cè)突出的。
8.如權(quán)利要求1所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，葉輪葉片的葉片軸的軸線(xiàn)是在包含葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)及葉片軸的軸線(xiàn)的平面中、相對(duì)于與上述葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的直線(xiàn)而傾斜的。
9.如權(quán)利要求6所述的可動(dòng)葉片水力機(jī)，其特征為，設(shè)置在葉輪外周的排出環(huán)的內(nèi)表面形成球面狀，它是以葉輪葉片的頂部端面的球面中心同一點(diǎn)作為中心，半徑比上述葉輪葉片的頂部端面的球面的半徑略大的，同時(shí)其球面與設(shè)置于葉輪低壓側(cè)的吸出管的內(nèi)表面平滑地連接。
10.一種可動(dòng)葉片水力機(jī)的制造方法，其特征為，使突起部分從葉輪葉片的葉片面或頂部端面沿葉片軸的軸線(xiàn)的延長(zhǎng)線(xiàn)突出，由上述葉片軸及突起部的端部保持葉輪葉片而進(jìn)行軸對(duì)稱(chēng)面的加工，此后除去上述突起部，以加工上述權(quán)利要求1所述的葉輪葉片。
11.一種可動(dòng)葉片水力機(jī)用葉輪葉片，它是能以各個(gè)葉片軸為中心地回轉(zhuǎn)且相對(duì)于葉輪轂沿放射方向設(shè)置而構(gòu)成葉輪的，其特征為，葉輪葉片的頂部端面形成球面狀，其是以葉輪的回轉(zhuǎn)主軸之軸線(xiàn)與葉片軸之軸線(xiàn)的交點(diǎn)為中心的，在葉輪葉片全閉時(shí)，該葉輪葉片的頂部端面投影于與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上時(shí)的最大半徑比上述頂部端面的球面的半徑小，各個(gè)葉輪葉片由葉片部和葉片軸構(gòu)成，在葉片部的葉輪轂側(cè)端面上，以端面與上述葉片部的基準(zhǔn)軸線(xiàn)垂直相交的方式突出設(shè)置有圓柱狀突起，該圓柱狀突起設(shè)置于葉片軸的前端，底面插入固定于與葉片軸的軸線(xiàn)傾斜相交的孔內(nèi)。
全文摘要
一種可動(dòng)葉片水力機(jī),在葉輪的拆卸、維修時(shí)可以將葉輪葉片與葉輪轂在組裝的狀態(tài)下容易地取出,同時(shí)減少?gòu)娜~輪葉片的頂部端面的水泄漏。在該可動(dòng)葉片水力機(jī)中,葉輪葉片的頂部端面形成球面狀,其以葉輪的回轉(zhuǎn)主軸的軸線(xiàn)和葉片軸的軸線(xiàn)的交點(diǎn)為中心,同時(shí)在葉輪葉片全閉時(shí),葉輪葉片的頂部端面投影在與葉輪的回轉(zhuǎn)主軸垂直相交的平面上的最大半徑,比上述頂部端面的球面半徑小。
文檔編號(hào)F03B3/06GK1267790SQ0010284
公開(kāi)日2000年9月27日 申請(qǐng)日期2000年3月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月19日
發(fā)明者杉下懷夫, 大竹典男, 稻垣泰造 申請(qǐng)人:東芝株式會(huì)社