导向叶片的制作方法

本发明涉及一种用于泵或涡轮机的导向轮的导向叶片，导向叶片包括导向叶片主体，导向叶片主体具有两个端面、导向叶片前缘、导向叶片后缘、以及第一流量引导侧面和第二流量引导侧面，第一流量引导侧面和第二流量引导侧面连接导向叶片前缘和导向叶片后缘，并且形成沿着轴向延伸的不同的流量轮廓，流量轮廓中的每个都具有弦、中弧线、以及中弧曲线端角(α)，在导向叶片后缘处、中弧线以中弧曲线端角(α)被定位到弦，其中导向叶片可以被安装为使得它可以围绕旋转轴线旋转，旋转轴线特别地由两个枢轴销限定。此外，本发明涉及一种用于设计水力发电系统、特别是具有包括导向叶片的导向轮的泵或涡轮机、特别是卡普兰或法兰西斯涡轮机的方法，其中通过设计参数的变化，变体被形成，并且通过实施单独的变体可以实现的流量条件被确定，特别是借助于流量模拟或通过测试被确定，随之，根据可以实现的流量条件，变体之一被选择，特别是用其获得效率最优的变体被选择。

背景技术：

1、导向叶片从现有技术已经是为人所知的，特别是用于在涡轮机中将工作介质以最佳的角度引导到转轮的转子叶片上的导向叶片。与可以随转轮旋转的转子叶片相反，作为规则，导向叶片被布置为静止的，但是可以在进口壳体中围绕旋转轴线被旋转以便影响流量，并且，如果必要，阻止质量流量。为此目的，例如在卡普兰或法兰西斯涡轮机中，导向叶片可以沿着与转轮同轴的圆以规则的间隔被布置在进口壳体中，由此产生所谓的导向设备(也被称为导向环)。

2、在水力发电厂中，可获得的效率是非常重要的，这是为什么当水力发电厂正被设计时、变体通常首先通过典型的设计参数的变化来形成、然后通过单独的变体的流量特性的分析、确定变体中的哪个可以被用来获得最佳结果(特别是最佳效率)的原因。为此目的，计算机实现的流量模拟通常被使用。

3、以这种方式，不同的设计参数从现有技术已经是为人所知，不同的设计参数被改变以形成变体并且因此涵盖解空间，在解空间中最佳解被寻求，在解空间中单独的变体被计算探索和/或被凭经验探索。就导向叶片来说，设计参数可以例如是中弧曲线端角、轮廓厚度、以及中弧线的行进或曲率，这些可以导致多个可能的变体。

4、从文件ep 3 791 059 b1，例如，用于泵涡轮机的导向轮已经是为人所知的，在该导向轮中，导向叶片的中间区域中的流量轮廓具有比导向叶片的周边区域中的流量轮廓大的导向叶片角度。

5、然而，已经表明，在许多情况下，仅通过改变从现有技术已知的设计参数，只能获得不令人满意的结果。

技术实现思路

1、这通过本发明来解决。本发明的目的是指定一开始命名的类型的导向叶片，利用该导向叶片，水力发电厂中的流量可以被影响以使得提高的效率是可获得的。

2、此外，一开始命名的类型的方法将被指定，利用该方法，水力发电系统的改进的设计是可能的，特别是可能获得具有更高的效率的水力发电系统。

3、根据本发明，第一个目的通过一开始命名的类型的导向叶片被达成，该导向叶片沿着轴向延伸，具有至少一个具有正中弧曲线端角的流量轮廓和至少一个具有负中弧曲线端角的流量轮廓。

4、在本发明的过程中，发现通过将中弧曲线端角从例如导向叶片的底部区域中的正中弧曲线端角变为例如导向叶片的顶部区域中的负中弧曲线端角，流量的有益影响是可能的，利用该影响，提高的效率可以被获得。通过改变中弧曲线端角的轮廓沿着叶片的长度或轴向延伸的这样的变形也被称为轮廓边条。因此，对应的导向叶片也可以被称为具有边条的导向叶片。

5、轴向延伸在这种情况下被认为是沿着导向叶片可以绕其被可旋转地安装的旋转轴线的延伸。

6、导向叶片前缘被认为是导向叶片的、流量在涡轮机操作期间首先撞击的边缘或端部。

7、应该理解导向叶片前缘和导向叶片后缘不一定被理解为几何意义上的边缘，而是相反也可以由例如对应弯曲的面形成，以使得例如导向叶片后缘实际上可以是导向叶片后面。

8、换句话说，通过沿着导向叶片的轴向延伸改变中弧线相对于弦的位置的可能性，以使得中弧曲线端角从正变为负，得到利用其扩大解空间的附加的设计参数。已经表明在许多情况下，更高的效率因此是可获得的。

9、术语底部和顶部从而可以参考导向叶片在具有垂直轴线的水力发电系统中的预期使用，以使得底部区域通常比导向叶片的顶部区域更靠近转轮。

10、因此已经表明在这些水力发电系统中，导向叶片处的流量跨高度是非常不同的，特别是因为一些区域中的流量由于几何构造被加速。通过使用具有沿着高度(在这种情况下也被称为轴向延伸或沿着旋转轴线的延伸)从正变为负或者从负变为正的中弧曲线端角的具有边条的导向叶片，流量的这样的不均匀性可以被特别好地解决，由此对于转轮的改进的流入可以被获得，损失可以被最小化，并且效率可以被提高。

11、应该理解导向叶片当然也可以被用于具有水平轴线的水力发电系统中。在这种情况下，底部将被解释为靠近转轮，并且顶部将被解释为远离转轮。在导向设备中，导向叶片通常大致沿着圆布置，并且沿着与转轮同轴的圆周均匀地分布，并且经由枢轴销被可旋转地安装，但是其他布置原则上也是可能的。在许多情况下，单独的导向叶片的旋转轴线在导向设备中大致平行。根据本发明的导向叶片也可以被用于管状涡轮机中，在管状涡轮机中，单独的导向叶片的旋转轴线通常不平行。

12、根据本发明的导向叶片也可以被用于管状涡轮机中，在管状涡轮机中，导向叶片的旋转轴线不平行于水力发电系统的轴线。在这种情况下，术语底部和顶部将被解释为在导向设备中的预期布置中径向内部和径向外部，以使得导向叶片的底部区域比顶部区域更靠近管状涡轮机的轴线。

13、此外，根据本发明的导向叶片当然也可以被用于德里亚(deriaz)涡轮机或斜流式涡轮机中。

14、流量轮廓被理解为垂直于导向叶片可以绕其被可旋转地安装或者绕其被可旋转地安装的旋转轴线穿过导向叶片的假想截面。旋转轴线可以与导向叶片的纵向轴线重合，并且通常由枢轴销限定，枢轴销附接于导向叶片的侧面并且对应于进口壳体中的对应的轴承位置。

15、中弧线表示轮廓中内切的圆的中心的连接线。因此，中弧线在每一个位置处到流量引导侧面都是等距的，并且将导向叶片前缘连接到导向叶片后缘。

16、弦表示导向叶片前缘和导向叶片后缘的笔直的连接线。

17、这里，正中弧曲线端角被认为是当沿底部端面的方向上从导向叶片的顶部端面观看时，也就是说，在平面图中，如果弦在逆时针方向上比在顺时针方向上与中弧线的间隔较小，在逆时针方向测量的从中弧线到弦的角度。在导向叶片的对应布置中，为使得导向叶片前缘位于左手侧并且导向叶片后缘位于右手侧，被布置在平面图中导向叶片后缘的区域中弦上方的中弧线因此导致正中弧曲线端角，并且被布置在弦下面的中弧线导致负中弧曲线端角。

18、根据本发明的由于中弧曲线端角沿着轴向延伸从正变为负、或者根据转轮的旋转方向、也从负变为正而导致提高的效率的效果原则上与特定角度无关，并且也已经以非常小的角度被实现。

19、然而，如果导向叶片具有中弧曲线端角大于2度、特别是为5度到20度的流量轮廓，则已经证明是特别有益的。已经表明特别是该范围对于水力发电厂通常导致尤其有利的效率。

20、此外，如果导向叶片具有中弧曲线端角小于-2度、特别是为-5度到-20度的流量轮廓，则已经证明是有利的。

21、特别是，在一个区域(例如顶部周边区域)中具有中弧曲线端角为-5度到-20度的轮廓并且在另一个区域(特别是底部周边区域)中具有中弧曲线端角为5度到20度的轮廓的导向叶片已经证明有益于获得有利的流量条件。

22、对于流量轮廓，轮廓厚度取决于中弧线，并且通常比导向叶片后缘的区域中更靠近导向叶片前缘。在根据本发明的导向叶片中，轮廓厚度可以基本上与轴向延伸无关，例如可以沿着轴向延伸改变小于20％。在特别简单的情况下，导向叶片因此可以例如在顶部区域中具有向上弯曲的流量轮廓或具有正曲率的中弧线，并且在底部区域中具有对应的轮廓，例如类似于naca轮廓的流量轮廓，该流量轮廓向上弯曲或者具有负弯曲的中弧线，以使得轮廓厚度仅取决于中弧线上的位置，而与轴向位置无关。可替代地，当然还可能的是轮廓厚度沿着轴向位置变化，并且导向叶片的底部区域在相对于中弧线的相同的位置处具有例如更大的轮廓厚度。

23、还可以提供例如导向叶片的底部区域中的流量轮廓对应于导向叶片的顶部区域中的流量轮廓，该流量轮廓在弦平面上是镜像的。

24、通过相对于弦改变位置的中弧线的本文中描述的新的设计参数，还可以形成这样的导向叶片，在这些导向叶片中，中弧线相对于弦的位置沿着轴向延伸多次切换侧面，也就是说，中弧曲线端角多次从正变为负或者从负变为正。然而，尤其是为了用于水力发电系统中，优选地提供中弧曲线端角沿着导向叶片的轴向延伸正好改变一次符号，其中特别的是，中弧曲线端角在预期使用期间在导向叶片的顶部处的区域中是负的，并且在预期使用期间在底部处的区域中是正的。结果，转轮的进口处的流量条件可以以有助于减少损失的方式被特别好地影响。

25、优选地提供中弧曲线端角沿着导向叶片的轴向延伸改变大于5度，特别是10度到40度。流量因此被有利地影响，并且同时，不期望的分离被避免。

26、如果沿着轴向延伸，导向叶片具有至少一个具有正弯曲的中弧线的轮廓和至少一个具有负弯曲的中弧线的轮廓，则是有益的。在正弯曲的中弧线和负弯曲的中弧线之间，导向叶片还可以包括笔直区域，在该区域中，中弧线可以与弦重合。

27、可以提供导向叶片前缘至少在区域中相对于旋转轴线倾斜或歪斜。具有关于导向设备中心歪斜的轮廓的导向叶片也被称为倾侧式的。在圆柱形导向设备的情况下，这对应于围绕涡轮机轴线的歪斜。现在已经表明不仅相对于旋转轴线倾斜或歪斜、而且另外还有边条的导向叶片可以导致特别有利的流量条件以便最小化导向轮和转轮之间的损失。

28、导向叶片因此可以被实施为使得至少在区域中、优选地在导向叶片的整个高度上，导向叶片前缘与旋转轴线的间隔随着导向叶片的轴向延伸增大而连续地减小或者增大。

29、还可以提供导向叶片后缘至少在区域中相对于旋转轴线倾斜。在这种情况下，优选地提供至少在区域中、优选地在导向叶片的整个高度上，导向叶片后缘与旋转轴线的间隔随着导向叶片的轴向延伸增大而连续地减小或者连续地增大。

30、如果导向叶片包括对应于侧面的闭合边缘，以使得导向叶片的闭合边缘在导向叶片的闭合状态下可以接触导向叶片的与该闭合边缘相邻布置的侧面，以便能够完全关闭流量(如果必要的话)，则是特别有益的。通常，闭合边缘被布置在导向叶片后缘的区域中，并且靠近导向叶片后缘(通常是后缘的顶侧)，所述闭合边缘与另一个导向叶片的与闭合边缘相邻布置、靠近导向叶片后缘的侧面会合，以便产生闭合状态。

31、原则上，闭合边缘也可以由导向叶片后缘形成。还可以提供在闭合状态下，一个导向叶片的第一流量引导侧面和第二导向叶片的与第一流量引导侧面相邻布置的第二流量引导侧面接触以便获得闭合的或不可渗透的状态。在这种情况下，闭合边缘由侧面的接触线或接触区域形成。

32、对应的导向叶片优选地被用在用于泵或涡轮机、特别是用于卡普兰或法兰西斯涡轮机、或者还有管状涡轮机的导向轮的范围内。因此，如果就用于泵或涡轮机、特别是用于卡普兰或法兰西斯涡轮机的导向轮(该导向轮由多个导向叶片形成)来说，导向叶片是根据本发明实施的，则是有益的。

33、导向叶片通常由金属(通常以固态的方式)形成，并且可以例如通过铣削或钣金构造来生产。

34、利用根据本发明实施的导向叶片，流量的正面影响基本上是可能的，与尺寸无关。然而，如果提供对应的导向轮具有大于2m的直径，则是特别优选的。导向轮的直径可以在例如导向叶片的枢轴销处被测量。在这种情况下，直径也称为销圆直径。已经表明利用该尺度的机器，根据本发明的效果可以被特别好地利用。

35、因此，导向叶片通常具有沿着旋转轴线的0.5m到10m的长度，并且导向叶片前缘与导向叶片后缘的间隔可以例如大约为15cm到3.0m。

36、另一个目的根据本发明利用一开始命名的类型的方法来达成，在该方法中，至少一个变体包括根据本发明实施的导向轮。

37、通过解空间的相关联的扩大，在常规方法中未被探索的对于设计的可能的解被考虑，以使得通过扩大解空间以包括具有边条式的导向叶片(其具有跨弦切换的中弧线)的变体，更好的结果可以在许多情况下被获得。

38、应该理解在进一步的步骤中，对应设计的水力发电系统通常是根据已确定的设计生产的，以便能够然后在水力发电系统的操作期间实际上实现计算确定的和/或凭经验确定的更高效率。