一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機及其做功方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機及其做功方法，其立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機包括發(fā)電機構(gòu)、勵磁機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪機構(gòu)、尾水管、導(dǎo)水機構(gòu)和轉(zhuǎn)輪室，轉(zhuǎn)輪機構(gòu)包括轉(zhuǎn)葉片、旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩和固定外罩，轉(zhuǎn)葉片扇形分布在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩內(nèi)側(cè)，旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩與固定外罩通過密封軸承連接構(gòu)成封閉的環(huán)形空腔，發(fā)電機構(gòu)與勵磁機構(gòu)同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔內(nèi)，導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室和尾水管形成水流封閉通道；本發(fā)明所述立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機壽命長，建設(shè)成本與生產(chǎn)管理成本較低，水能轉(zhuǎn)化效率高。
【專利說明】
一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機及其做功方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及水電設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機及其做功方法。
【背景技術(shù)】
[0002]水輪發(fā)電裝置按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換;反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。
[0003]沖擊式水輪機，由于其工作輪僅部分過水，部分水斗受力，故該類水輪機所需流量較小，比較適合小流量高水頭的發(fā)電場所。沖擊式水輪機，按水流的流向可分為切擊式(又稱水斗式)和斜擊式兩類，在等徑水輪條件下，切擊式的受力力臂相對斜擊式較大，但運行水輪轉(zhuǎn)速相對較小。
[0004]反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)水機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪;在軸流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉，軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪;在斜流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪;在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的;轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)水頭和負荷的變化。當(dāng)前使用較為廣泛的主要是軸流式和混流式水輪機。
[0005]現(xiàn)有的水輪機普遍所存在的問題是:I)水輪機的葉輪與發(fā)電機和勵磁電機需通過較長的傳動軸傳動，而一般情況下，為了便于傳動軸的安裝更換，傳動軸連接處會采用法蘭連接，同時為了維持傳動軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，避免偏心轉(zhuǎn)動，會在轉(zhuǎn)軸的連接處以及中部設(shè)置多個軸承，軸承的增多會加大轉(zhuǎn)動過程中的摩擦耗能，軸承容易因摩擦升溫?zé)龎模逸^長傳動軸出現(xiàn)偏心轉(zhuǎn)動時，容易導(dǎo)致對發(fā)電機造成損壞;2)現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置的發(fā)電機和勵磁機在工作中會產(chǎn)生大量的廢熱(主要由導(dǎo)線中強電流產(chǎn)熱、及軸承轉(zhuǎn)動摩擦產(chǎn)熱)，需要安裝專用的散熱、冷卻系統(tǒng)，當(dāng)散熱、冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，容易導(dǎo)致機芯、軸承燒壞，而且即使在冷卻系統(tǒng)正常工作下，由于定子和轉(zhuǎn)子呈內(nèi)、外層分布，位于內(nèi)層的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的廢熱需通過定子與轉(zhuǎn)子的隔空間隙層傳導(dǎo)到外界，隔空間隙層的導(dǎo)熱速率小，內(nèi)層轉(zhuǎn)子與外層定子存在較大的溫差，內(nèi)層轉(zhuǎn)子容易燒毀;3)現(xiàn)有水輪機，由于在水流能量利用上存在較大的水流動能余留和摩擦產(chǎn)熱損耗，水流能量的利用率相對較低，現(xiàn)階段，軸流式水輪機的較高穩(wěn)定效率僅為90%;4)現(xiàn)有的每組水輪發(fā)電機均是針對不同地形的定制機，造成原材料、組件、線材和零部件不能夠通用，不能夠批量生產(chǎn);5)由于水輪發(fā)電機中的定子、轉(zhuǎn)子、凸極、傳動軸等部件需要承受較高的溫度或較大的受力，其定子、轉(zhuǎn)子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高。上述因素給電站的建設(shè)造成了較大的投入成本與生產(chǎn)管理成本，且電站生產(chǎn)產(chǎn)能相對較低，部分小型可利用水能資源被浪費。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為:I)現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置中傳動軸和軸承由于受力較大、摩擦產(chǎn)溫較高，其損耗較大;2)現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置的發(fā)電機和勵磁機在工作中會產(chǎn)生大量的廢熱，需要安裝專用的冷卻系統(tǒng)，且其冷卻系統(tǒng)的冷卻效果欠佳，容易燒毀機芯;3)現(xiàn)有水輪機的較高穩(wěn)定效率僅在90%左右;4)現(xiàn)有的水輪發(fā)電機均是針對不同地形的定制機，體積存在較大差異，不能夠批量生產(chǎn);5)水輪發(fā)電機中的定子、轉(zhuǎn)子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高。
[0007]為解決其技術(shù)問題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構(gòu)、勵磁機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪機構(gòu)、尾水管、導(dǎo)水機構(gòu)和轉(zhuǎn)輪室；
其特征在于:轉(zhuǎn)輪機構(gòu)包括轉(zhuǎn)葉片、旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩和固定外罩，轉(zhuǎn)葉片扇形分布在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩內(nèi)偵U，并固定安裝在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩內(nèi)側(cè)筒面上，旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩與固定外罩通過密封軸承連接構(gòu)成封閉的環(huán)形空腔，發(fā)電機構(gòu)與勵磁機構(gòu)同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔內(nèi)，尾水管與固定外罩同軸線固定連接，尾水管位于固定外罩的下方，導(dǎo)水機構(gòu)與固定外罩同軸線固定連接，導(dǎo)水機構(gòu)位于固定外罩的上方，轉(zhuǎn)輪室為旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩所圍空腔，導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室和尾水管共同形成封閉水流通道；
所述發(fā)電機構(gòu)包括發(fā)電勵磁繞組和發(fā)電電樞繞組，所述勵磁機構(gòu)包括勵磁機勵磁繞組和勵磁機電樞繞組；
發(fā)電電樞繞組與發(fā)電勵磁繞組同軸內(nèi)、外層分布，勵磁機勵磁繞組和勵磁機電樞繞組分別位于發(fā)電勵磁繞組和發(fā)電電樞繞組的下方；
發(fā)電電樞繞組和勵磁機電樞繞組安裝在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩內(nèi)，發(fā)電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組安裝在固定外罩內(nèi)。
[0008]作為進一步優(yōu)化說明，所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩與固定外罩的連接間隙處設(shè)置有導(dǎo)電刷，導(dǎo)電刷用于勵磁電流的輸入和感生電流的輸出。
[0009]作為進一步優(yōu)化，所述尾水管和引導(dǎo)機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩的間隙部位設(shè)置陶瓷密封軸承;該種結(jié)構(gòu)可提高環(huán)形空腔的密封性，改善密封軸承的工作環(huán)境，減小密封軸承的受力負荷，減小固定外罩與旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩的摩擦。
[0010]作為進一步優(yōu)化，為了具有更好的防水性能，所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩與固定外罩邊角連接處設(shè)置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)，折形離心甩水邊環(huán)的間隙口沿徑向朝外。
[0011]作為進一步優(yōu)化，為了更好的增強折形離心甩水邊環(huán)的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)。
[0012]基于上述技術(shù)方案的說明，所述立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機做功過程中，其轉(zhuǎn)輪室與水流共同旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機構(gòu)做功。
[0013]工作原理:該發(fā)明所述立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，工作時，水流經(jīng)過導(dǎo)水機構(gòu)的引導(dǎo)與控制，流入轉(zhuǎn)輪室，轉(zhuǎn)輪室中轉(zhuǎn)葉片在水流壓力的驅(qū)動下帶動轉(zhuǎn)葉片和旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩共同轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩的轉(zhuǎn)動驅(qū)動發(fā)電電樞繞組和勵磁機電樞繞組的轉(zhuǎn)動，勵磁機電樞繞組在轉(zhuǎn)動時，切割勵勵磁機勵磁繞組的磁場，產(chǎn)生交流電輸入到外界整流設(shè)備，外界整流設(shè)備經(jīng)過整流后，通過導(dǎo)電刷導(dǎo)電到發(fā)電勵磁繞組，使發(fā)電勵磁繞組產(chǎn)生磁場，在發(fā)電電樞繞組在轉(zhuǎn)動時切割發(fā)電勵磁繞組的磁場，使發(fā)電電樞繞組輸出電流。
[0014]該發(fā)電機構(gòu)的發(fā)電電樞繞組位于中部，發(fā)電勵磁繞組位于外部，發(fā)電電樞繞組轉(zhuǎn)動，發(fā)電勵磁繞組固定，該種結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有發(fā)電機的常用結(jié)構(gòu)相反，也即反裝結(jié)構(gòu)模式，該種結(jié)構(gòu)的發(fā)電勵磁繞組具有較大的分布面積，各勵磁繞組端子產(chǎn)生的磁場相互影響較小，磁場強度分布振幅較大，具有較好的勵磁效率。
[0015]有益效果:本發(fā)明所述的立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，相對于現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置，由于其發(fā)電機構(gòu)和勵磁機構(gòu)直接安裝在轉(zhuǎn)輪機構(gòu)的旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩與固定外罩內(nèi)，發(fā)電工作過程產(chǎn)生的廢熱可直接通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩與固定外罩散熱到水流中，有效的省去了專門的冷確散熱系統(tǒng);而且，由于發(fā)電電樞繞組安裝在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩，旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩中空通水，同級別的發(fā)電功率下，其體積相對較小，表面積比較大，散熱速率塊，其發(fā)發(fā)電電樞繞組可直接通過旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩導(dǎo)熱到外界，相對于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模式，其熱量傳導(dǎo)無需通過轉(zhuǎn)子與定子間的隔空層，其發(fā)電機構(gòu)廢熱可直接散熱到水流中，相比現(xiàn)有的發(fā)電機散熱系統(tǒng)，具有更好的散熱效果，能有效避免燒毀機芯的問題，增長設(shè)備的使用壽命。
[0016]同時，由于轉(zhuǎn)輪機構(gòu)與發(fā)電機構(gòu)、勵磁機構(gòu)的一體化，動力傳動無需通過傳動軸部件傳動，能有效的避免傳動軸偏心問題和軸承摩擦耗能問題，大大簡化了水輪發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)和材料，較大程度地縮小了設(shè)備體積;本設(shè)備在電站建設(shè)的諸多狀況下均可整體使用，較大地增強了設(shè)備的通用性，減少了電站建設(shè)成本與生產(chǎn)管理成本。
[0017]此外，由于轉(zhuǎn)葉片和旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩在水壓驅(qū)動下，與水流共同旋動，其轉(zhuǎn)輪室也共同與水流旋動，這種結(jié)構(gòu)方式，其水流與旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩摩擦耗能較小，空化系數(shù)較小，轉(zhuǎn)換效率能得到提高;本發(fā)明所述的立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機的較高穩(wěn)定效率可達95%。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明方案一的垂直剖視視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明方案一的水平剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明方案二的垂直剖視視結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明方案二中折形離心甩水邊環(huán)結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖5為本發(fā)明方案三中折形離心甩水邊環(huán)結(jié)構(gòu)放大示意圖；
圖中:I為發(fā)電機構(gòu)、11為發(fā)電勵磁繞組、12為發(fā)電電樞繞組、2為勵磁機構(gòu)、21為勵磁機勵磁繞組、22為勵磁機電樞繞組、23為勵磁整流控制器、3為轉(zhuǎn)輪機構(gòu)、31為轉(zhuǎn)葉片、32為旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩、33為固定外罩、34為密封軸承、35為環(huán)形空腔、36為陶瓷密封軸承、37為折形離心用水邊環(huán)、38為樹脂耐磨環(huán)、4為尾水管、5為導(dǎo)水機構(gòu)、6為轉(zhuǎn)輪室、7為導(dǎo)電刷。
【具體實施方式】
[0019]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述;顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0020]方案一(如圖1和圖2所示):一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構(gòu)1、勵磁機構(gòu)2、轉(zhuǎn)輪機構(gòu)3和尾水管4;轉(zhuǎn)輪機構(gòu)3包括轉(zhuǎn)葉片31、旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32和固定外罩33，轉(zhuǎn)葉片31扇形分布在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32內(nèi)側(cè)，旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32與固定外罩33通過密封軸承34連接構(gòu)成封閉的環(huán)形空腔35，發(fā)電機構(gòu)I與勵磁機構(gòu)2同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔35內(nèi)，尾水管4與固定外罩33同軸線固定連接;所述發(fā)電機構(gòu)I包括發(fā)電勵磁繞組11和發(fā)電電樞繞組12，所述勵磁機構(gòu)2包括勵磁機勵磁繞組21和勵磁機電樞繞組22;發(fā)電電樞繞組12和發(fā)電勵磁繞組11同軸內(nèi)、外層分布，呈環(huán)形分布，勵磁機勵磁繞組21和勵磁機電樞繞組22分別位于發(fā)電勵磁繞組11和發(fā)電電樞繞組12的下方;發(fā)電電樞繞組12和勵磁機電樞繞組22安裝在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32內(nèi)，發(fā)電勵磁繞組11和勵磁機勵磁繞組12安裝在固定外罩33內(nèi)；旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32與固定外罩33的連接間隙處設(shè)置有導(dǎo)電刷7，導(dǎo)電刷7用于導(dǎo)電連接外界整流設(shè)備與發(fā)電勵磁繞組11;為了減小旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32受到的摩擦，同時提高其密封性，所述尾水管4和引導(dǎo)機構(gòu)5與旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32的間隙部位設(shè)置陶瓷密封軸承36 ο。
[0021]上述實施方案中，所述立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機做功過程中，其轉(zhuǎn)輪室6與水流共同旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機構(gòu)做功。
[0022]通過上述方案一實施方式，所述立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定效率可達95%，相比傳統(tǒng)的軸流式水輪發(fā)電機，效率提高6%左右。
[0023]方案二(如圖3和圖4所示):與方案一不同之處在于:為了具有更好的防水性能，所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩32與固定外罩33連接邊角處設(shè)置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)37，折形離心甩水邊環(huán)37的間隙口沿徑向朝外。
[0024]方案三(如圖5所示):與方案一不同之處在于:為了更好的增強折形離心甩水邊環(huán)37的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)37內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)38。
[0025]最后應(yīng)說明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構(gòu)(1)、勵磁機構(gòu)(2)、轉(zhuǎn)輪機構(gòu)(3)、尾水管(4)、導(dǎo)水機構(gòu)(5)和轉(zhuǎn)輪室(6)，其特征在于:轉(zhuǎn)輪機構(gòu)(3)包括轉(zhuǎn)葉片(31)、旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)和固定外罩(33)，多個轉(zhuǎn)葉片(31)呈扇形分布于旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)內(nèi)側(cè)，并固定安裝在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)內(nèi)側(cè)筒面上，旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)與固定外罩(33)通過密封軸承(34)連接構(gòu)成封閉的環(huán)形空腔(35)，發(fā)電機構(gòu)(I)與勵磁機構(gòu)(2)同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔(35)內(nèi)，尾水管(4)與固定外罩(33)同軸密封連接，尾水管(4)位于固定外罩(33)的下方，導(dǎo)水機構(gòu)(5)與固定外罩(33)同軸線固定連接，導(dǎo)水機構(gòu)(5)位于固定外罩(33)的上方，轉(zhuǎn)輪室(6)為旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)所圍空腔，導(dǎo)水機構(gòu)(5)、轉(zhuǎn)輪室(6)和尾水管(4)共同形成封閉水流通道，發(fā)電機構(gòu)(I)包括發(fā)電勵磁繞組(11)和發(fā)電電樞繞組(12)，勵磁機構(gòu)(2)包括勵磁機勵磁繞組(21)和勵磁機電樞繞組(22)，發(fā)電電樞繞組(12)與發(fā)電勵磁繞組(11)同軸內(nèi)、外層分布，發(fā)電電樞繞組(12)和勵磁機電樞繞組(22)安裝在旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)內(nèi)，發(fā)電勵磁繞組(11)和勵磁機勵磁繞組(21)安裝在固定外罩(33)內(nèi)，勵磁機勵磁繞組(21)和勵磁機電樞繞組(22)分別位于發(fā)電勵磁繞組(11)和發(fā)電電樞繞組(12)的下方。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)與固定外罩(33)的連接間隙處設(shè)置有導(dǎo)電刷(7)，導(dǎo)電刷(7)用于勵磁電流的輸入和感生電流的輸出。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)與尾水管(4)的間隙部位、以及旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)與引導(dǎo)機構(gòu)(5)的間隙部位均設(shè)置有陶瓷密封軸承(36)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述旋轉(zhuǎn)內(nèi)罩(32)與固定外罩(33)邊角連接處設(shè)置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)(37)，折形離心甩水邊環(huán)(37)的間隙口沿徑向朝外。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述折形離心甩水邊環(huán)(37)內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)(38)。6.—種立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機的做功方法，其特征在于:立式中通反裝定槳軸流式水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)輪室(6)與水流共同旋轉(zhuǎn)帶動發(fā)電機構(gòu)(I)做功。
【文檔編號】F03B3/12GK106014795SQ201610468823
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月25日
【發(fā)明人】郭遠軍
【申請人】郭遠軍