一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機及其做功方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機及其做功方法，其立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機包括發(fā)電機構、勵磁機構、轉輪機構、尾水管、導水機構和轉輪室，轉輪機構包括轉葉片、環(huán)形旋轉罩和環(huán)形固定罩，轉葉片扇形分布在環(huán)形旋轉罩內(nèi)側，環(huán)形旋轉罩與環(huán)形固定罩同軸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)，導水機構、轉輪室和尾水管形成水流封閉通道；本發(fā)明所述立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機壽命長，建設成本與生產(chǎn)管理成本較低，水能轉化效率高。
【專利說明】
一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(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，尤其涉及一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(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。沖擊式水輪機的轉輪受到水流的沖擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換;反擊式水輪機的轉輪在水中受到水流的反作用力而旋轉，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，水流徑向進入導水機構，軸向流出轉輪;在軸流式水輪機中，水流徑向進入導葉，軸向進入和流出轉輪;在斜流式水輪機中，水流徑向進入導葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉輪，或以傾斜于主軸的方向流進導葉和轉輪;在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導葉和轉輪。軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結構還可分為定槳式和轉槳式。定槳式的轉輪葉片是固定的;轉槳式的轉輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉動，以適應水頭和負荷的變化。當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)定轉動，避免偏心轉動，會在轉軸的連接處以及中部設置多個軸承，軸承的增多會加大轉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，由于定子和轉子呈內(nèi)、外層分布，位于內(nèi)層的轉子產(chǎn)生的廢熱需通過定子與轉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)層轉子與外層定子存在較大的溫差，內(nèi)層轉子容易燒毀;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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]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、轉子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高;6)勵磁磁場利用效率低。
[0008]為解決其技術問題本發(fā)明所采用的技術方案為:一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構、勵磁機構、轉輪機構、尾水管、導水機構和轉輪室；
其特征在于:轉輪機構包括轉葉片、環(huán)形旋轉罩和環(huán)形固定罩，轉葉片扇形分布在環(huán)形旋轉罩內(nèi)側，并固定安裝在環(huán)形旋轉罩內(nèi)側筒面上，環(huán)形旋轉罩與環(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)，尾水管與環(huán)形固定罩同軸線固定連接，尾水管位于環(huán)形固定罩的下方，導水機構與環(huán)形固定罩同軸線固定連接，導水機構位于環(huán)形固定罩的上方，轉輪室為環(huán)形旋轉罩所圍空腔，導水機構、轉輪室和尾水管共同形成封閉水流通道；
所述發(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)形旋轉罩內(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)形固定罩內(nèi)的外徑側；
第二發(fā)電電樞繞組和第二勵磁機電樞繞組同軸上、下層安裝在環(huán)形固定罩內(nèi)的內(nèi)徑側。
[0009]作為進一步優(yōu)化說明，所述環(huán)形旋轉罩與環(huán)形固定罩的連接間隙處設置有導電刷，導電刷用于勵磁電流的輸入和感生電流的輸出。
[0010]作為進一步優(yōu)化，所述引導機構與環(huán)形旋轉罩的間隙部位設置陶瓷密封軸承;該種結構可減小環(huán)形旋轉罩在旋轉過程受到的水阻力。
[0011]作為進一步優(yōu)化，為了具有更好的防水性能，所述環(huán)形旋轉罩與環(huán)形固定罩邊角連接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]基于上述技術方案的說明，所述立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機做功過程中，其轉輪室與水流共同旋轉帶動發(fā)電機構做功。
[0014]工作原理:該發(fā)明所述立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，工作時，水流經(jīng)過導水機構的引導與控制，流入轉輪室，轉輪室中轉葉片在水流壓力的驅(qū)動下帶動轉葉片和環(huán)形旋轉罩共同轉動，環(huán)形旋轉罩的轉動驅(qū)動發(fā)電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組的轉動，勵磁機勵磁繞組在轉動時，切割第一勵磁機電樞繞組和第二勵磁機電樞繞組，產(chǎn)生交流電輸入到外界整流設備，外界整流設備經(jīng)過整流后，通過導電刷導電到發(fā)電勵磁繞組，使發(fā)電勵磁繞組產(chǎn)生磁場，在發(fā)電勵磁繞組在轉動時切割第一發(fā)電電樞繞組和第二發(fā)電電樞繞組的線圈，使第一發(fā)電電樞繞組和第二發(fā)電電樞繞組輸出電流。
[0015]有益效果:本發(fā)明所述的立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，相對于現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置，由于其發(fā)電機構和勵磁機構安裝在環(huán)形旋轉罩與環(huán)形固定罩內(nèi)，發(fā)電工作過程產(chǎn)生的廢熱可直接通過環(huán)形旋轉罩與環(huán)形固定罩散熱到水流中，有效的省去了專門的冷確散熱系統(tǒng)；而且，由于發(fā)電勵磁繞組安裝在環(huán)形旋轉罩，環(huán)形旋轉罩中空通水，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)電勵磁繞組可直接通過環(huán)形旋轉罩導熱到外界，相對于傳統(tǒng)的轉子結構模式，其熱量傳導無需通過轉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，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，增長設備的使用壽命。
[0016]同時，由于轉輪機構與發(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，大大簡化了水輪發(fā)電裝置的結構和材料，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。
[0018]另外，由于轉葉片和環(huán)形旋轉罩在水壓驅(qū)動下，與水流共同旋動，其轉輪室也共同與水流旋動，這種結構方式，其水流與環(huán)形旋轉罩摩擦耗能較小，空化系數(shù)較小，轉換效率能得到提高;本發(fā)明所述的立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機的較高穩(wěn)定效率可達95%。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明方案一的垂直剖視視結構示意圖；
圖2為本發(fā)明方案一的發(fā)電機構所在平面的水平剖視結構示意圖；
圖3為本發(fā)明方案二的垂直剖視結構示意圖；
圖4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5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為第一發(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為轉輪機構、31為轉葉片、32為環(huán)形旋轉罩、33為環(huán)形固定罩、34為密封軸承、35為環(huán)形空腔、36為陶瓷密封軸承、37為折形離心甩水邊環(huán)、38為樹脂耐磨環(huán)、4為尾水管、5為導水機構、6為轉輪室、7為導電刷。
【具體實施方式】
[0020]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。基于本發(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。
[0021]方案一(如圖1和圖2所示):一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構1、勵磁機構2、轉輪機構3、尾水管4、引導機構5和轉輪室6 ；轉輪機構3包括轉葉片31、環(huán)形旋轉罩32和環(huán)形固定罩33，轉葉片31扇形分布在環(huán)形旋轉罩32內(nèi)側，環(huán)形旋轉罩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)，尾水管4與環(huán)形固定罩33同軸線固定連接;尾水管4位于環(huán)形固定罩33的后方，導水機構5與環(huán)形固定罩33水平同軸線固定連接，導水機構5位于環(huán)形固定罩33的前側，轉輪室6為環(huán)形旋轉罩32所圍空腔，導水機構5、轉輪室6和尾水管4共同形成封閉水流通道;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)形旋轉罩32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)形固定罩33內(nèi)的外徑側；第二發(fā)電電樞繞組13和第二勵磁機電樞繞組23同軸上、下層安裝在環(huán)形固定罩33內(nèi)的內(nèi)徑側;環(huán)形旋轉罩32與環(huán)形固定罩33的連接間隙處設置有導電刷7，導電刷7用于導電連接外界整流設備與發(fā)電勵磁繞組11;為了減小環(huán)形旋轉罩32受到的摩擦，同時提高其密封性，所述引導機構5與環(huán)形旋轉罩32的間隙部位設置陶瓷密封軸承36。
[0022]上述實施方案中，所述立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機做功過程中，其轉輪室6與水流共同旋轉帶動發(fā)電機構做功。
[0023]通過上述方案一實施方式，所述立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(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。
[0024]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，所述環(huán)形旋轉罩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)37，折形離心甩水邊環(huán)37的間隙口沿徑向朝外。
[0025]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。
[0026]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】
1.一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構(I)、勵磁機構(2)、轉輪機構(3)、尾水管(4)、導水機構(5)和轉輪室(6)，其特征在于:轉輪機構(3)包括轉葉片(31)、環(huán)形旋轉罩(32)和環(huán)形固定罩(33)，多個轉葉片(31)呈扇形固定分布于環(huán)形旋轉罩(32)的內(nèi)徑側，環(huán)形旋轉罩(32)與環(huán)形固定罩(33)同軸通過密封軸承(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)，尾水管(4)與環(huán)形固定罩(33)同軸密封連接，尾水管(4)位于環(huán)形固定罩(33)的下方，導水機構(5)與環(huán)形固定罩(33)同軸線固定連接，導水機構(5)位于環(huán)形固定罩(33)的上方，轉輪室(6)為環(huán)形旋轉罩(32)所圍空腔，導水機構(5)、轉輪室(6)和尾水管(4)共同形成封閉水流通道，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(2 2)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)形旋轉罩(32)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)形固定罩(33)內(nèi)的外徑側，第二發(fā)電電樞繞組(13)和第二勵磁機電樞繞組(23)同軸上、下層安裝在環(huán)形固定罩(33)內(nèi)的內(nèi)徑側。2.根據(jù)權利要求1所述的立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán)形旋轉罩(32)與環(huán)形固定罩(33)的連接間隙處設置有導電刷(7)，導電刷(7)用于勵磁電流的輸入和感生電流的輸出。3.根據(jù)權利要求2所述的立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán)形旋轉罩(32)與引導機構(5)的間隙部位均設置有陶瓷密封軸承(36)。4.根據(jù)權利要求3所述的立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán)形旋轉罩(32)與環(huán)形固定罩(33)邊角連接處設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)權利要求4所述的立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(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)。6.一種立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機的做功方法，其特征在于:立式環(huán)裝高效勵磁定槳軸流式水輪發(fā)電機的轉輪室(6)與水流共同旋轉帶動發(fā)電機構(I)做功。
【文檔編號】F03B3/12GK106050530SQ201610469056
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月25日
【發(fā)明人】郭遠軍
【申請人】郭遠軍