CN101280759B - 水力机械和防止这种机械磨损的方法 - Google Patents

Abstract

一种主水流(E₁)流经的水力机械，包括：至少一部件(2；7)，其表面(71；211)被所述的主水流(E₁)湿润；和喷射装置(74；216)，其在被湿润表面(71)喷射辅助水流。该水力机械还包括：减少装置(9)，其减少构成所述主水流(E₁)源头的水流(E₀)的一部分(E’₀)的磨粒含量；和从所述减少装置(9)朝所述被湿润表面(71；211)输送辅助水流的装置(8；74；216)，辅助水流的磨粒含量低于主水流(E₁)的磨粒含量。这样保护被湿润表面(71；211)不受主水流(E₁)中所含磨粒的磨损。

Description

水力机械和防止这种机械磨损的方法

技术领域

本发明涉及一种水力机械和防止这种机械磨损的方法。背景技术

在本发明的背景中，水力机械可以是例如在水电发电厂中使用的水轮机、泵或涡轮泵。就水轮机而言，该机械连续地安装或/和被供给来自水库的水，在所述水库中有一条或多条水道排空。根据它们流经的场地环境和天气情况，水道携带大量磨粒、例如沙子或沉淀物。当这些磨粒通过水轮机时，它们对由水流润湿的表面造成磨损，这提高了维持运行的费用或如果在早期阶段未识别出磨损的情况下甚至可能会带来停机的风险。

然而，从US-A-1942995可以得知，建立通道以供水给混流式水轮机(Francis wheel)的轮毂的内部容积，水通过安装在叶片上的管道被带到叶轮叶片的表面。其目的旨在改善水流在叶片下侧上的粘附力。当供给水轮机的水携带有磨粒时，这些磨粒在轮毂的供水通道中积聚，或者甚至阻塞管道，从而显著降低水轮机的效率。因此，所述水轮机并不适合在流经水轮机轮的主水流可能携带有磨粒的区域内工作。

从DE-C-920234和GB-A-750862中得知的设备也是这样的情况，其不具有使携带有大量磨粒的水流适应于水轮机工作环境的装置。

泵和涡轮泵也存在相似的问题。发明内容

本发明特别通过提供一种水力机械的新结构来解决这些问题，其中，可以降低或者消除由流经该机械的主水流所造成的被湿润表面的磨损，因而这可提高该机械的工作寿命。

因而，本发明涉及一种主水流流经的水力机械，所述机械包括：至少一部件，其表面被主水流湿润；和喷射装置，其在被湿润表面处喷射辅助水流。该机械的特征在于，所述喷射装置包括：减少装置，其减少构成所述主水流源头的水流的一部分的磨粒含量；和从所述减少装置朝所述被湿润表面输送辅助水流的装置，辅助水流的磨粒含量低于主水流的磨粒含量。

根据本发明，减少所述机械的入口水流一部分的磨粒含量的减少装置允许使用一些“干净”或相对干净的水，这些水能在机械内使用以便在被湿润表面处、即在该表面上或紧邻该表面的附近，喷射其磨粒含量小于主水流磨粒含量的一定量的水。这能够在该水流和被湿润表面之间形成水股流或水层，其含有比主水流更少的磨粒；这些股流和该水层比起主水流，将更少倾向于磨损被湿润表面。换句话说，减少磨粒含量的装置和输送磨粒含量相对较低的水的装置允许喷射装置将全部或部分的被湿润表面与具有高含量磨粒的主水流隔离开，例如，坏天气后在水路流经的并被供给该机械的地理区域中。特别在雨季或冰雪融化时期就是这种情况。

根据本发明的非限制性但优选的特点，这样一种机械可以包括一个或多个以下特征：

所述喷射装置包括调节辅助水流的流量和/或压力的装置。

所述喷射装置包括至少一个通道，所述通道用于构成辅助水流的股流流动，所述通道的出口位于所述被湿润表面上或其附近。

形成所述被润湿表面的所述部件至少部分是中空的；并且，所述部件的一部分设置有至少一孔，所述孔用作水在所述部件的内部容积与所述被湿润表面之间的通道。这样，有利的是，所述部件包括孔列，所述孔列在整体垂直于主水流前进方向的方向上延伸于这些孔敞开的区域内。

所述形成被湿润表面的部件是实心的，并且具有在所述表面处供给辅助水流的供给通路。

根据本发明的第一实施例，所述形成被湿润表面的部件是用于导引所述主水流至混流式水轮机的导流件或预导流件。

根据本发明的另一实施例，所述部件是水轮机的、泵的或涡轮泵的叶轮。这样，所述水轮机是混流式水轮机，其叶片是中空的，且所述喷射装置包括在至少一叶片的侧壁内的孔，并且输送管路既在所述水轮机的固定部分内延伸，又在所述叶轮的顶盖或带部内延伸。

根据本发明的第三实施例，表面被湿润的部件限定环形入口部位，其用于在迷宫密封中的主水流的一部分以形成水支承；而所述喷射装置集成在所述机械的固定部分内，并能将辅助水流导引到支撑被湿润表面的所述机械的旋转部。

根据本发明的第四实施例，所述包括被湿润表面的部件是向水轮机叶轮供水的喷射器；而所述喷射装置能将辅助水流的一定量的水供给到所述喷射器的针部的周表面上和/或喷射到形成针部座的表面上。

本发明还涉及防止如上所述的水力机械磨损的方法，特别的是，该方法包括以下步骤：

减少构成主水流源头的水流的一部分的磨粒含量，并且

在机械的被湿润表面喷射来自所述水流的所述一部分的辅助水流，其中所述水流的所述一部分的磨粒含量已经减少。

有利的是，用以形成辅助水流的被喷射水的供给压力和/或流量使得：该辅助水流在被湿润表面与主水流之间形成水层，该水层中的磨粒含量要小于主水流的磨粒含量。还可以确定，该方法只有在主水流磨粒含量超过预定值时实施，例如在雨季时实施就是这种情况。附图说明

通过以下对遵循其原理的水力机械的四个实施例、和用于防止对这种机械造成磨损的方法的描述，将更好地理解本发明并且将更加清楚地揭示其他的优点，其仅作为示例提出并参考附图，其中：

图1示出了发电装置的主要剖面图，所述发电装置包括符合本发明的混流式水轮机；

图2是沿图1的线II-II的局部放大剖面图；

图3是图2剖面中所示的导流件的透视图；

图4是与图3相似的导流件(directrix)视图，其对应于本发明第二实施例；

图5是与图3相似的导流件视图，其对应于本发明第三实施例；

图6是沿图1的线VI-VI的叶片的纵向截面图；

图7是图1中水轮机的迷宫密封入口槽的放大图；及

图8是喷射器原理的示意图，所述喷射器用于控制水朝向与根据本发明的培尔顿式水轮机(Pelton turbine)的沟道喷射。具体实施方式

图1所示的装置I包括其叶轮2由供水箱3供水的混流式水轮机1，推进输送管路4在水轮机中开口。水轮机1与用于电力发电的交流发电机5相结合。叶轮2具有位于顶盖22和带部23之间的叶片21。在供水箱3和叶轮2之间具有一组预导流件6和一组导流件7，其功能是用于引导流经叶轮2并且触及叶片21的主水流E₁，这样引起叶轮2围绕垂直轴线Z-Z’的旋转。预导流件6是固定的，但是每条导流件7可以围绕平行于轴线Z-Z’的轴线Z₇枢转以调节水流E₁的速度。

从图2中可以看出，水流E₁触及预导流件6的侧表面61和导流件7的侧表面71。这样，这些表面通常被水流E₁湿润。

然而，特别在水路供给的输送管路4通过的地理区域发生大雨或冰雪融化的期间，该水流含有大量的磨粒。这样，水流E₁会造成表面61和71的过早磨损。为了限制表面71的这种磨损，导流件7是中空的，并且从围绕轴线Z-Z’呈圆形的输送管路8供给具有相对较低含量磨粒的水给它们各自的内部容积72，该输送管路由图1中以相当示意的方式示出的所谓的“去砂水”系统9供应。

该去砂水系统除去输送管路4中承载的水流中所存在的部分磨粒，并且包括沉淀池91，水通过支路92以适当的速度供送到该沉淀池内，支路92的开口位于输送管路4内，或者根据本发明未示出的变型，开口于供给该输送管路的水库中或开口在位于水轮机1下游的水坝中。因此，供给输送管路8的水是构成水流E₁源头的水流E₀的部分水流E’₀。在支路92中流动的水可以注入槽91中，这样，磨粒93可以沉淀至槽91的底部，并且使通过下游管道94供给输送管路8的水的磨粒含量比主水流E₁的磨粒含量要低得多。

显然，可在本发明的范围内使用其他的去砂系统，例如水力旋流器。

输送管路8通过在水轮机1的固定部分内部延伸的管道82与每一导流件7的内部容积72连接。对于每一导流件7都有一管道82。这样，水从管道8供给到各导流件7的内部容积72，该水称为“干净”的水，即其具有的磨粒含量要远低于主水流E₁。

构成导流件7侧面的金属的盘或翼标记为73，其外表面形成表面71。每一盘73具有一组连接容积72和表面71的圆形孔74。这样，当装置I工作时，来自输送管路8的水流经孔74，形成股流F₂，这些股流沿着表面71组成辅助水流E₂，其流量小于主水流E₁。

这样，根据本发明，表面71被水流E₁和E₂两者湿润。

通过对孔74的位置和横截面、供给容积72的净水的流量和/或压力进行适当选择，流动在表面71上的各股流F₂可以结合，这样水流E₂形成一个连续的或几乎连续的将水流E₁与表面71的部分或全部隔离开的净水层C₂。这样可以防止水流E₁中存在的磨粒接触或冲击表面71。

这些孔74按列位于每一盘73上，所述列沿平行于轴线Z₇并且垂直水流E₁方向的邻近相应表面71的直线D₁或D₁’延伸。这样，来自孔74的净水的股流在水流E₁的高度范围内流经表面71。

如图4所示，可以在壁73中使用一组延伸槽75以替代一组圆形孔74，沿着导流件7的纵向轴线X₇每个槽相对于其他的槽错开，以便在这些槽的位置处不会降低壁73的机械强度。

槽75在平行于直线D₁和D₁’的方向上延伸，直线D₁和D₁’平行于轴线Z₇并且在紧邻表面71处垂直于水流E₁，这允许净水股流F₂在水流E₁的高度内分布。根据本发明未示出的变型，槽75在平行于轴线X₇的方向上延伸，这样使得它们整体平行于水流E₁。

孔74和槽75位于表面71的上游部分，这使得股流F₂在表面71上于孔74或槽75的下游部分进行结合，以形成辅助水流E₂。

如图5所示，圆形孔76在壁73上和表面71的大部分上分布，这使得在这些表面的大部分上形成净水股流F₂。

如图3中所示的实施例，属于图4和5中实施例的辅助水流E₂的净水股流F₂倾向于相对围绕导流件7流动的水流E₁隔离开表面71。如图3中所示的实施例，股流F₂可结合以形成净水层C₂，所述净水层相对于水流E₁隔离开表面71的全部或部分。

根据本发明未示出的一变型，预导流件6也可以是中空的并且具有允许净水股流在它们的外表面61上流动的孔或槽。

特别如图6所示，其中，线I-I代表图1截面在一叶片处的平面，本发明还可以在叶轮2的叶片21中实施。叶片21的侧表面由标记211表示，它们的内部中空容积212限定在两壁213之间，并通过焊接每一叶片21的前缘214和后缘215附近组装而成的金属盘而形成。每一壁213具有位于前缘214附近的一组孔216，这样，当将净水供给容积212时，净水股流F₂可以从容积212朝向并沿着表面211流动。

为了做到这一点，管道83连接输送管路8至位于顶盖22上方的环形空间84。所述顶盖具有允许供给每一叶片21的内部容积212的开口221。这样，通过输送管路向叶片21的内部容积212提供净水，该输送管路在水轮机的固定部分例如管83内、在叶轮2与所述固定部分之间例如容积84内延伸，也在叶轮2例如开口221中延伸。作为另一变型，向容积212提供净水的输送管路不是通过顶盖22，而是可通过带部23。

这些孔216按弯曲列的形式位于表面211的顶部中，所述弯曲列遵循每一叶片21的轮廓的几何形状，并在叶轮2中垂直于水流E₂。

这样，使通过从孔216流出的股流F₂的汇合产生辅助水流E₂就成为可能，该水流包括相对较少的磨粒，并使得其隔离开主水流E1与表面211。

根据本发明未示出的变型，孔216并不是恰好位于前缘214附近。例如，它们可以是成组的处在后缘215附近，在靠近带部23的区域中，或者这些孔几乎分布全部表面211上，或者上述二者，以类似在图5中设想为导流件的方式。

此外，导流件7和叶片可以是部分中空的。水轮机1的这些部件甚至可以是实心的，这样，它们将具有内部通道以传送水流E₂至表面71和211。

输送管路4中的水流标记为E₀。水流E₀是水流E₁和E₂的源头，并且构成水轮机1内的总水流。

如图7所示，本发明也可以在限制于水轮机的固定部分11和叶轮2之间的槽f的位置处使用；该槽用于提供用于水流E₀的部分E₃的朝向一未示出的迷宫密封的通道，其以已知的方式形成水支承。带部23的表面标记为231，示出槽f的边缘。在表面231的对面和部分11中，具有多个通过未示出的管道供给来自输送管路8的净水的孔114。孔114允许朝表面231传送净水股流F₂，这样产生辅助水流E₂并且防止它接触可能含有大量磨粒的水流E₃。

就一种变型而言，如果选择的槽f的宽度相对叶轮直径非常小，其通过自身可以形成迷宫密封。这样，水流E₂根据其流量可以防止水流E₃的产生。换句话说，只有水流E₂流经槽f，然后水流E₀与水流E₁和E₂的总和相等。

从图8中可以看出，本发明还可以应用在具有朝向未示出的冲击式水轮机的水斗的水喷射器10中；该喷射器包括固定主体101、和相对于固定主体101沿着轴线X₁₀侧向移动的针部102。针部102是中空的并且配设有通过管道105被供给净水的一排孔104，管道105连接到与第一实施例中的输送管路8相似的输送管路。这允许在针部102的外周面103上形成辅助水流E₂，辅助水流E₂由股流F₂形成；该辅助水流倾向于隔离表面103与流过喷射器10的可能具有高含量磨粒的主水流E₁。孔104在喷射器10中围绕着垂直于主水流E₁的针部102的前轴线按一成角度的排排列。

根据本发明的一未示出的变型，喷射器10的座106也可在内表面107处设置有喷射净水的装置，其朝向针部102定向，所述装置可附加于针部或者替代针部102。

根据另一变型，针部102可是实心的。这样，管道105被分成多个输送管路以供应孔104。也可以在针部102内设置一用于在孔104之间配送来自管道105的净水的环形室。

为了向被湿润表面71分配净水而向孔或槽提供的流量和/或供给压力，及同样地由此水流E₂的流量和/或压力，能与水流E₁的压力或流量相适应。为了达到这一点，可以使用安装在连接所述系统9与输送管路8的输送管路94上的增压泵95。就一种变型而言，增压泵可以安装在管道82和83上。就一种变型而言，也可以使用节流装置以控制股流F₂的流量和/或压力。

本发明的实施可以在时间上受到限制，并且特别是在流经该机械的构成主水流的水载有大量磨粒的期间专用的，例如在雨季或冰雪融化的时期。为了做到这一点，用于测量水流E₁中的磨粒含量的装置设置在设备I中。

本发明并不局限于所描述的实施方式，并且可以在水力机械的可能具有较高含量磨粒的主水流的其他部分中应用，例如，在安装有它们的导流件7与输送管路的上下法兰之间的功能性间隙处。本发明也可以在冲击式水轮机的水斗处应用或用于保护任意的被湿润表面，包括水膜座表面，例如混流式水轮机叶轮的顶盖的上表面。

Claims (14)

1.一种主水流(E₁)流经的水力机械，包括：至少一部件(2；7；10)，其表面(71；103；211；231)被所述主水流(E₁)湿润；和喷射装置(8；9；74；75；76；104；114；216)，其在被所述主水流湿润的所述表面处喷射辅助水流(E₂)，

其特征在于：所述喷射装置包括：去砂水装置，其减少构成所述主水流(E₁)的源头的水流(E₀)的一部分(E’₀)的磨粒含量；和从所述去砂水装置朝被所述主水流湿润的所述表面(71；103；211；231)输送所述辅助水流(E₂)的管道或孔，所述辅助水流(E₂)形成一个连续的或几乎连续的水层(C₂)，其磨粒含量低于所述主水流(E₁)的磨粒含量，所述水层将整个被所述主水流湿润的所述表面或被所述主水流湿润的所述表面的一部分与所述主水流(E₁)中的磨粒隔离开。

2.根据权利要求1所述的水力机械，其特征在于：所述喷射装置(8；9；74；75；76；104；114；216)包括调节所述辅助水流(E₂)的流量和/或压力的装置(95)。

3.根据权利要求1或2所述的水力机械，其特征在于：所述喷射装置包括至少一个通道，所述通道用于组成所述辅助水流(E₂)的股流(F₂)流动，所述通道的出口位于被所述主水流湿润的所述表面上或其附近。

4.根据权利要求3所述的水力机械，其特征在于：所述部件(2；7；10)至少部分是中空的；并且，所述部件的一部分设置有至少一孔，所述孔用作所述辅助水流(E₂)在所述部件的内部容积(72；212)与被所述主水流湿润的所述表面之间的通道。

5.根据权利要求4所述的水力机械，其特征在于：所述部件包括孔列，所述孔列在这些孔所敞开的区域内在整体垂直于所述主水流(E₁)的前进方向的方向(D₁；D₁’)上延伸。

6.根据权利要求3所述的水力机械，其特征在于：所述部件(2；7；10)是实心的，并且具有在被所述主水流湿润的所述表面(71；103；211；231)处供给所述辅助水流的供给通路。

7.根据权利要求1或2所述的水力机械，其特征在于：所述部件是用于导引所述主水流(E₁)至混流式水轮机(1)的导流件或预导流件。

8.根据权利要求1或2所述的水力机械，其特征在于：所述部件是水轮机或泵的叶轮。

9.根据权利要求8所述的水力机械，其特征在于：所述水轮机是混流式水轮机，其叶片是中空的，且所述喷射装置包括在至少一叶片的侧壁(213)内的孔，并且输送管路(83；84；221)既在所述水轮机的固定部分内延伸，又在所述叶轮的顶盖(22)或带部(23)内延伸。

10.根据权利要求1或2所述的水力机械，其特征在于：所述部件限定环形空间(f)，该环形空间用于在迷宫密封中引入所述主水流(E₁)的一部分(E’₁)，以形成水轴承；并且，所述喷射装置集成在所述水力机械的固定部分(11)内，并能将所述辅助水流(E₂)导引到支撑被所述主水流湿润的所述表面的所述水力机械的旋转部。

11.根据权利要求1或2所述的水力机械，其特征在于：所述部件是作用于水轮机叶轮的水喷射器；并且，所述喷射装置能将所述辅助水流(E₂)喷射到所述水喷射器的针部(102)的周表面上和/或喷射到形成针部座(106)的表面(107)上。

12.一种用于防止主水流(E₁)流经的水力机械(1)出现的磨损的方法，所述水力机械包括表面(71；103；211；231)被所述主水流湿润的部件(2；7；10)，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

a)通过使构成所述主水流(E₁)的源头的水流(E₀)的一部分(E’₀)通过去砂水装置来减少所述一部分(E’₀)的磨粒含量；

b)在被所述主水流湿润的所述表面(71；103；211；231)喷射来自所述水流(E₀)的所述一部分(E’₀)的辅助水流(E₂)，在步骤a)期间该辅助水流的磨粒含量已经减少，所述辅助水流形成一个连续的或几乎连续的水层(C₂)，其磨粒含量低于所述主水流的磨粒含量，所述水层将整个被所述主水流湿润的所述表面或被所述主水流湿润的所述表面的一部分与所述主水流(E₁)中的磨粒隔离开。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：被喷射以形成所述辅助水流(E₂)的水的供给压力和/或流量使得：该辅助水流在被所述主水流湿润的所述表面与所述主水流(E₁)之间形成所述水层(C₂)，该水层中的磨粒含量要小于所述主水流的磨粒含量。

14.如权利要求12或13所述的方法，其特征在于：只有当所述主水流(E₁)的磨粒含量高于预定值时才应用所述方法。

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