一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法，懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機包括發(fā)電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構和轉(zhuǎn)軸機構，斜擊葉輪機構包括斜擊葉片、環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩和環(huán)形固定罩，斜擊葉片環(huán)形分布在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩外側(cè)，環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩與環(huán)形固定罩通過密封軸承連接構成封閉的環(huán)形空腔，發(fā)電機構與勵磁機構同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔內(nèi)，環(huán)形固定罩固定安裝在懸吊臂上；本發(fā)明所述懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機壽命長，建設成本與生產(chǎn)管理成本較低，通用性較好，動能轉(zhuǎn)化效率高。
【專利說明】
一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及水電設備領域，尤其涉及一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法。
【背景技術】
[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]斜擊式水輪機，由于其葉片受力相對切擊式水輪機的葉片受力較小，對葉片的材質(zhì)和制造工藝要求較低，且運行穩(wěn)定、噪音小，總體性價比較高，深受國內(nèi)外小型電站企業(yè)的喜好。
[0005]然而，現(xiàn)有的斜擊式水輪機所存在的問題是: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燒壞，且較長傳動軸出現(xiàn)偏心轉(zhuǎn)動時，容易導致對發(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)，當散熱、冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，容易導致機芯、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到外界，隔空間隙層的導熱速率小，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)有斜擊式水輪機，由于在水流動能利用上存在較大的水流動能余留，水流動能的利用率相對較低，現(xiàn)階段，斜擊式水輪機中做的較為理想的效率僅在80%至84%;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;6)勵磁繞組的磁極僅能利用其中一磁極，勵磁效率較低，勵磁能耗較大。
[0006]上述因素給電站的建設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。
[0007]此外，現(xiàn)有的斜擊式水輪機的做功方式均是:將噴嘴垂直于水輪葉片的徑向方式，噴嘴的高速水流與折形葉片的進口平面存在一定傾斜角，高速水流沿進口平面進入，并流經(jīng)葉片的折形面，將其動能傳遞到葉片上，最后水流從出水面流出；該種做功方式，其流出的水流余能較大，水流動能轉(zhuǎn)化效率偏低;且其動能的傳動過程中動能損耗較大，發(fā)電效率偏低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題為: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)有斜擊式水輪機的效率僅在80%至84%，普遍偏低;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;6)勵磁繞組的勵磁效率較低。
[0009]為解決其技術問題本發(fā)明所采用的技術方案為:一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構、懸吊臂和噴嘴；
其特征在于:斜擊葉輪機構包括斜擊葉片、環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩和環(huán)形固定罩，斜擊葉片扇形分布安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩外部的外徑側(cè)，環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩與環(huán)形固定罩通過密封軸承連接構成封閉的環(huán)形空腔，發(fā)電機構與勵磁機構同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔內(nèi)，環(huán)形固定罩的上部固定連接在懸吊臂上，噴嘴安裝在斜擊葉片上方；
發(fā)電機構包括發(fā)電勵磁繞組、第一發(fā)電電樞繞組和第二發(fā)電電樞繞組；
勵磁機構包括勵磁機勵磁繞組、第一勵磁機電樞繞組和第二勵磁機電樞繞組；
第一發(fā)電電樞繞組、發(fā)電勵磁繞組和第二發(fā)電電樞繞組同軸外、中、內(nèi)層分布；
發(fā)電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組同軸安裝在環(huán)形固定罩內(nèi)的中部，發(fā)電勵磁繞組位于勵磁機勵磁繞組的上方；
第一發(fā)電電樞繞組和第一勵磁機電樞繞組同軸上、下層安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩內(nèi)的外徑側(cè)；
第二勵磁機電樞繞組和第二發(fā)電電樞繞組同軸上、下層安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩內(nèi)的內(nèi)徑側(cè)。
[0010]環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩與環(huán)形固定罩的連接間隙處設置有導電刷，導電刷用于導電連接電樞輸出電流與勵磁輸入電流。
[0011]作為進一步優(yōu)化，為了具有更好的防水性能，所述環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩與環(huán)形固定罩邊角處設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。
[0012]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)。
[0013]基于上述所述技術方案，其懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機的做功方法為:所述懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機的斜擊葉片水平分布，噴嘴安裝在斜擊葉片上方，噴嘴噴水方向朝向斜擊葉片，噴嘴與斜擊葉片分布面存在一定傾角，其傾角在20°至30°，噴嘴與斜擊葉片的徑向方向的夾角呈45°至55° ;采用該種做功方式，其噴嘴噴出的水流從斜擊葉片的徑向外側(cè)逐步向徑向內(nèi)側(cè)流動，并持續(xù)對葉片施力，直至在斜擊葉片的徑向內(nèi)側(cè)下方流出，流出的水流余能可接近8%至14%，其動能轉(zhuǎn)化效率可達86%至92%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率提高6%至12%左右。
[0014]工作原理:該發(fā)明所述懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，工作時，噴嘴向斜擊葉片噴射水流，驅(qū)動斜擊葉輪機構轉(zhuǎn)動，并帶動第一發(fā)電電樞繞組與第二發(fā)電電樞繞組、以及第一勵磁機電樞繞組與第二勵磁機電樞繞組轉(zhuǎn)動，第一勵磁機電樞繞組與第二勵磁機電樞繞組，產(chǎn)生交流電，并通過導電刷傳導到外界的整流設備，由外界的整流設備整流后產(chǎn)生恒壓穩(wěn)定直流，再通過并導電刷傳導到發(fā)電勵磁繞組，使發(fā)電勵磁繞組產(chǎn)生磁場，在第一發(fā)電電樞繞組與第二發(fā)電電樞繞組在轉(zhuǎn)動時切割發(fā)電電樞繞組的磁場，使第一發(fā)電電樞繞組與第二發(fā)電電樞繞組輸出電流。
[0015]有益效果:本發(fā)明所述的懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，相對于現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置，其發(fā)電機構和勵磁機構直接安裝在斜擊葉輪機構內(nèi)，實現(xiàn)了水輪機構與發(fā)電機構、勵磁機構的一體化，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;且相對于傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子結構模式，其熱量傳導無需通過轉(zhuǎn)子與定子間的隔空層，其發(fā)電機構廢熱可直接散熱到水流中，能有效避免燒毀機芯的問題，增長設備的使用壽命。
[0016]另外，本發(fā)明所述的懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機大大簡化了水輪發(fā)電裝置的結構和材料，設備被一體化，較大程度地縮小了設備體積;本設備在電站建設的諸多狀況下均可整體使用，較大地增強了設備的通用性，減少了電站建設成本與生產(chǎn)管理成本。
[0017]此外，由于發(fā)電機勵磁繞組的兩個磁極的磁通量均被利用于切割發(fā)電機電樞繞組，在同等勵磁電流下，勵磁效率相對傳統(tǒng)勵磁方式提高一倍。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明方案一的俯視結構不意圖；
圖2為本發(fā)明方案一水平剖視結構示意圖；
圖3為本發(fā)明方案一的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖4為本發(fā)明方案二的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖5為本發(fā)明方案二中折形離心甩水邊環(huán)結構放大示意圖；
圖6為本發(fā)明方案三中折形離心甩水邊環(huán)結構放大示意圖；
圖中:I為發(fā)電機構、11為發(fā)電勵磁繞組、12為發(fā)電電樞繞組、13為第二發(fā)電電樞繞組、2為勵磁機構、21為勵磁機勵磁繞組、22為第一勵磁機電樞繞組、23為第二勵磁機電樞繞組、3為斜擊葉輪機構、31為斜擊葉片、32為環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩、33為環(huán)形固定罩、34為密封軸承、35為環(huán)形空腔、36為支撐軸承、37為折形離心甩水邊環(huán)、38為樹脂耐磨環(huán)、4為懸吊臂、5為導電刷、6為噴嘴。
【具體實施方式】
[0019]下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、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，本領域普通技術人員在沒有做出創(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至圖3所示):一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構1、勵磁機構2、斜擊葉輪機構3和懸吊臂4 ；斜擊葉輪機構3包括斜擊葉片31、環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32和環(huán)形固定罩33，斜擊葉片31扇形分布安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32外部的外徑側(cè)，環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32與環(huán)形固定罩33通過密封軸承34連接構成封閉的環(huán)形空腔35，發(fā)電機構I與勵磁機構2同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔35內(nèi)，環(huán)形固定罩33的上部固定連接在懸吊臂4上;所述發(fā)電機構I包括發(fā)電勵磁繞組11、第一發(fā)電電樞繞組12和第二發(fā)電電樞繞組13 ；
勵磁機構2包括勵磁機勵磁繞組21、第一勵磁機電樞繞組22和第二勵磁機電樞繞組23;第一發(fā)電電樞繞組12、發(fā)電勵磁繞組11和第二發(fā)電電樞繞組13同軸外、中、內(nèi)層分布；發(fā)電勵磁繞組11和勵磁機勵磁繞組21同軸安裝在環(huán)形固定罩33內(nèi)的中部，發(fā)電勵磁繞組11位于勵磁機勵磁繞組21的上方；
第一發(fā)電電樞繞組12和第一勵磁機電樞繞組22同軸上、下層安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32內(nèi)的外徑側(cè)；
第二勵磁機電樞繞組23和第二發(fā)電電樞繞組13同軸上、下層安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32內(nèi)的內(nèi)徑側(cè);環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32與環(huán)形固定罩33的連接間隙處設置有導電刷5，導電刷5用于導電連接外界的整流設備與發(fā)電勵磁繞組11。
[0021]上述實施方案中懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機的做功方式為:噴嘴6與斜擊葉片31分布面的傾角為20°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈45°。
[0022]通過上述方案一實施方式，所述懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率可達86%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率提高6%左右。
[0023]方案二(如圖4和圖5所示):與方案一不同之處在于:為了具有更好的防水性能，所述環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩32與環(huán)形固定罩33連接邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)36，折形離心甩水邊環(huán)36的間隙口沿徑向朝外。
[0024]方案三(如圖6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)36的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)36內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)37。
[0025]方案四:與方案一不同之處在于:所述噴嘴6與斜擊葉片31分布面的傾角為25°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈50° ;采用該種結構方式，其穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率可達92%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率提高12%左右。
[0026]方案五:與方案一不同之處在于:所述噴嘴6與斜擊葉片31分布面的傾角為30°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈55°;采用該種結構方式，其穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率可達89%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉(zhuǎn)化效率提高9%左右。
[0027]最后應說明的是: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，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換，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，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權項】
1.一種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構(I)、勵磁機構(2)、斜擊葉輪機構(3)、懸吊臂(4)和噴嘴(6)，其特征在于:斜擊葉輪機構(3)包括斜擊葉片(31)、環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)和環(huán)形固定罩(33)，斜擊葉片(31)扇形分布安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)外部的外徑側(cè)，環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)與環(huán)形固定罩(33)通過密封軸承(34)連接構成封閉的環(huán)形空腔(35)，發(fā)電機構(I)與勵磁機構(2)同軸上下并列安裝在環(huán)形空腔(35)內(nèi)，環(huán)形固定罩(33)上部固定安裝在懸吊臂(4)上，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)，發(fā)電機構(I)包括發(fā)電勵磁繞組(11)、第一發(fā)電電樞繞組(12)和第二發(fā)電電樞繞組(13)，勵磁機構(2)包括勵磁機勵磁繞組(21)、第一勵磁機電樞繞組(22)和第二勵磁機電樞繞組(23)，第一發(fā)電電樞繞組(12)、發(fā)電勵磁繞組(11)和第二發(fā)電電樞繞組(13)同軸外、中、內(nèi)層分布，發(fā)電勵磁繞組(11)和勵磁機勵磁繞組(21)同軸安裝在環(huán)形固定罩(33)內(nèi)的中部，發(fā)電勵磁繞組(11)位于勵磁機勵磁繞組(21)的上方，第一發(fā)電電樞繞組(12)和第一勵磁機電樞繞組(22)同軸上、下層安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)內(nèi)的外徑側(cè)，第二勵磁機電樞繞組(23)和第二發(fā)電電樞繞組(13)同軸上、下層安裝在環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)內(nèi)的內(nèi)徑側(cè)。2.根據(jù)權利要求1所述的懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)與環(huán)形固定罩(33)的連接間隙處設置有導電刷(5)，導電刷(5)用于勵磁電流的輸入和感生電流的輸出。3.根據(jù)權利要求2所述的懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán)形旋轉(zhuǎn)罩(32)與環(huán)形固定罩(33)邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)(36)，折形離心甩水邊環(huán)(36)的間隙口沿徑向朝外。4.根據(jù)權利要求3所述的懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述折形離心甩水邊環(huán)(36)內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)(37)。5.根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述斜擊葉輪機構(3)水平安裝，斜擊葉片(31)水平分布，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)上方，噴嘴(6)噴水方向朝向斜擊葉片(31)，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)分布面存在一定傾角，其傾角在20°至30°，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)的徑向方向的夾角呈45°至55°。6.—種懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機的做功方法，其特征在于:所述懸吊式高效勵磁外葉斜擊式水輪發(fā)電機的斜擊葉片(31)水平分布，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)上方，噴嘴(6)噴水方向朝向斜擊葉片(31)，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)分布面存在一定傾角，其傾角在20°至30°，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)的徑向方向的夾角呈45°至55°。
【文檔編號】H02K9/19GK106014819SQ201610468994
【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