一種水下電子導葉操作裝置的制作方法

本申請聲明在2014年4月16日提出的美國臨時專利申請61/980122的優先權，該申請的說明書以引用形式完整地包括在本文內。

背景技術：

(a)技術領域

本發明公開的主題大體涉及渦輪機導葉操作裝置。

(b)相關現有技術

在水力發電的生產中調節水流的傳統渦輪機利用油基液壓缸、或稱伺服電機來控制以開啟和關閉渦輪機導葉。這些液壓系統會產生一些污染，比如加壓線、泵、壓縮機及維持系統運行所需要的壓力油藏中的液壓油。這些污染大量存在，并且可能高達每臺渦輪機30000升，在尋常的壩內高達1000000升。

這種液壓伺服電機的最主要缺陷就是污染物、例如液壓油泄露到水中。

過量的油泄露會發生在常規的操作中，比如維修過程中，或者在系統老化后的常規操作中(一些系統已經服役超過75年)。當泄露發生時，油會排放進入周圍環境，污染河源。

除此之外，(由通過上游過濾的河流雜物、異常水流或系統機械失效引起的)系統失效會導致主液壓伺服電機浸入液體多達3米深，而使整個渦輪機和渦輪機導葉操作系統浸入水中，且從液壓系統向河流排放大量油，從而引發嚴重的環境污染問題。

為了解決上述問題，技術人員也做了一些嘗試。例如，東芝國際集團(Toshiba International Corp)設計了一種非水下式系統，在此系統中，水流通過管道/導管被輸送到高于水面的結構來驅動渦輪機的轉動，此渦輪機由伺服電機控制。圖1a和圖1b顯示了此系統的實例：非水下式水力發電系統120包括進出水管122和用于在渦輪機內調節水流的伺服電機121。如圖1a和1b所示，系統120并未浸入水中，而是置于大壩殼體的外部。

然而，作為一種非水下式系統，東芝(Toshiba)系統不能取代現有的水下水力發電的水力伺服電機系統，因此，只有通過新建大壩或對現有大壩進行大規模結構改造才能應用該非水下式系統。而后者基于成本角度考慮是存在問題且有時是不可行的，執行改造而中斷運行也會導致電力中斷，同時有些情況下基于大壩的外形和結構來說也是不現實的。

因此，仍然需要一種水力發電系統，要求該系統環保、同時可下水，來代替現有系統中的水力伺服電機。

技術實現要素：

本申請的實施例描述了所述水力發電系統。

一方面，提供了一種水下式水力發電系統，包括：渦輪機，所述渦輪機包括多個導葉，所述多個導葉構造成可通過開啟和關閉來控制通過渦輪機的水流；導葉操作環，所述導葉操作環操作性連接到多個導葉上用于在開啟位置和關閉位置之間旋轉導葉；一個或多個電促動器，所述電促動器操作性連接到導葉操作環，并且構造成響應于控制信號地使導葉操作環轉到所需位置。每個電促動器包括電動機和推拉桿，所述推拉桿操作性地連接到電動機上，用于將電動機的旋轉運動轉變為可使導葉操作環轉到所需位置的直線運動。

電促動器可設置在防水外殼中。防水外殼可包括具有柔性膜的防水罩，所述罩用于罩住電動機；還包括伸縮管，所述伸縮管通過柔性膜而突出，且構造成罩住所述推拉桿，且隨著所述推拉桿的直線運動而伸長和收縮。

系統也可包括防水的供電單元，用于提供從外殼的外部接收以傳到電動機的控制信號。

在一個實施例中，防水罩、柔性膜、供電單元和伸縮管符合IP68防水標準。

系統還可包括第一電促動器和第二電促動器，所述第一電促動器和第二電促動器連接在導葉操作環的相對側。第一促動器和第二促動器會以相同速率相反方向的直線運動來轉動導葉操作環。

推拉桿可包括連接于電動機轉動軸的初動軸；以及缸體，所述缸體包括圍繞所述初動軸設置的多個次動軸，所述次動軸連接于缸體且構造成可隨著初動軸的轉動來導致缸體的直線運動。

電動機為伺服電機。

另一方面，提供電促動器來控制水下的水力發電系統中導葉操作環的開啟和關閉，所述電促動器包括：具有轉動軸的電動機和連接于導葉操作環的推拉桿，推拉桿能夠操作地連接于轉動軸，且構造成將轉動軸的旋轉運動轉化成用于將導葉操作環轉到所需位置的直線運動。

電促動器可置于水下，并且包括符合IP68的防水外殼。

防水外殼可包括具有柔性膜的防水罩，此罩用于罩住電動機；并且包括伸縮管，所述伸縮管從柔性膜突出，且構造成罩住推拉桿且隨著推拉桿的直線運動而伸長和收縮。

推拉桿可包括連接于電動機轉動軸的初動軸；以及缸體，所述缸體包括圍繞所述初動軸設置的多個次動軸，所述次動軸連接于缸體且構造成可通過初動軸的轉動來導致缸體的直線運動。

再進一步，提供了一種用于控制水下水力發電系統的操作的方法，所述系統包括連接到導葉操作環的多個導葉，所述方法包括：提供推拉桿，所述推拉桿構造成將從第一端得到的旋轉運動轉變為伸縮端的直線運動，所述伸縮端與所述第一端的位置相對；將推拉桿的第一端連接到電動機，用于基于第一端的旋轉而使得伸縮端以直線方式移動，所述伸縮端的直線運動用于轉動導葉操作環；并且提供用于罩住電動機和推拉桿的防水結構。

在一個實施例中，提供防水結構包括：將電動機設置在具有柔性膜的防水外殼中；并將推拉桿置于防水伸縮管內，所述伸縮管通過柔性膜而突出。

所述方法也可包括將伸縮管連接于導葉操作環。

在另一個實施例中，所述方法可包括：提供兩個不同的電動機，并將與這兩個不同的電動機相連的伸縮管連接到導葉操作環的相對側；并且將兩個電動機構造成在相反方向上轉動，從而引起導葉操作環的轉動。

在又一個實施方式中，提供了一種電促動器，所述電促動器用于控制水下水力發電系統中的連接到多個導葉的導葉操作環的操作，所述電促動器包括：具有轉動軸的電動機；連接于導葉操作環的推拉桿，所述推拉桿操作性地連接到轉動軸，并且構造成將轉動軸的旋轉運動轉變為用于將導葉操作環轉到所需位置的直線運動。電促動器可置于水下且包括防水外殼，所述防水外殼包括具有柔性膜的防水罩和通過所述柔性膜而延伸的伸縮管，所述防水罩適合于接納電動機，且所述伸縮管適合于接納并連接到推拉桿，且所述伸縮管隨著推拉桿的直線運動而伸長和收縮。

根據一個實施例，提供了一種水下的水力發電系統，包括：至少一個促動器，所述促動器包括伺服電機和操作性地連接到所述伺服電機的推拉桿，所述推拉桿將伺服電機的轉動轉變為直線運動；渦輪機，所述渦輪機包括多個葉片，所述多個葉片構造成通過開啟和關閉控制通過渦輪機的水流；導葉操作環，所述導葉操作環一側操作性連接到渦輪機葉片，另一側操作性連接到促動器，用于根據促動器的軸向運動控制葉片的運轉。

在一個實施例中，所述系統包括一個或多個促動器，所述一個或多個促動器連接于導葉操作環的相對側，且構造成在一個完整的導葉操作系統中運行。

在另一個實施例中，促動器適于永久水下作業且符合IP68標準。

如附圖所示，根據下述所選實施例的具體描述，本發明主題的技術特征和優點可清楚呈現。需要理解的是，公開的要求保護的主題能夠從不同方面進行改進，只要沒有超出權利要求的范圍。相應地，附圖和說明書應當自然而然被視為描述性的而非限定性的，本發明的完整范圍記載在權利要求中。

附圖說明

結合附圖，本發明的更深層的技術特征和優點經過如下的詳細描述將更清晰：

圖1a和圖1b顯示了傳統的非水下式水力發電系統；

圖2a和圖2b為根據實施例說明水下式水力發電系統作業環境的三維圖；

圖3a為根據實施例的水下式水力發電系統的近距離觀察圖；

圖3b根據實施例舉例說明了電促動器的直線運動如何引起操作導葉環的旋轉；

圖4顯示了用于將電動機的旋轉運動轉變為軸向運動的推拉桿的一個示例性的構造；

圖5a和圖5b分別顯示了處于收縮位置和伸展位置的伺服電機促動器；

圖6a至圖6c顯示了密封系統的實施例，所述密封系統用于促動器和其關聯軸的防水；

圖7為方法流程圖，所述方法用于控制水下式水力發電系統的操作，所述系統包括連接于導葉操作環的多個導葉。

需要注意的是，在所有附圖中，相同的特征以相同的附圖標記表示。

具體實施方式

本發明的實施例描述了用于水下式水力發電系統的電控制的系統和方法，用于避免現有水力系統中存在的油污泄露。本發明的系統包括操作性地連接于導葉操作環的一個或多個水下式電促動器，所述導葉操作環繼而連接于渦輪機內的多個導葉。每個水下式電促動器包括連接于推拉桿的電動機，所述推拉桿構造為將從第一端接收到的旋轉運動轉變為與第一端相反的伸縮端的直線運動，以使導葉操作環旋轉到所需位置。電促動器包括防水結構，所述防水結構罩住電動機和推拉桿，同時允許推拉桿進行伸縮運動來轉動導葉操作環。

圖2a和圖2b為根據實施例說明水下式水力發電系統作業環境的三維圖。

如圖2a和圖2b所示，作業環境包括水下模塊和非水下模塊。非水下模塊包括：變壓器、自動動力進給模塊、控制面板、獨立電源(未顯示)、用于控制控制面板的冷卻系統和非水下式導葉控制系統。

水下模塊包括：圖3a所示的水下式渦輪機129，所述渦輪機129包括連接于導葉環136(又名導葉操作環)的多個導葉130；以及導葉操作系統，所述導葉操作系統包括連接于導葉環136的相對側的一個或優選一對電促動器137。如圖2a示例性顯示，水下部分可置于施工房的外殼結構內(在非水下部件和模塊之下)，并根據電力需求、水位和其他參數，由流經導葉130的進水量來控制發電。

圖3a為一個實施例中的水下式水力發電系統的近距離觀察圖，圖3b舉例說明了一個實施例中電促動器的直線運動如何引發操作導葉環的轉動。

在一個實施例中，使用一對電促動器137來控制通過渦輪機129的水流、隨后的渦輪機轉速和水力發電，所述一對電促動器137連接于導葉環136的相對側，用于響應于從控制面板接收的控制信號而開啟和關閉導葉130。在一個實施例中，每個促動器137包括伺服電機138。

在一個非限制性的實施例中，每個促動器137的直徑可為1米且平均長度可為3.5米。兩個促動器137結合，額定容量可為640.6KN，額定系統功率可為94KW，重量可為6.1公噸。

如圖3a示例性顯示，渦輪機129包括多個導葉130和連接于導葉130的導葉操作環136。如上所述，導葉操作系統包括兩個或更多促動器137a和137b。促動器137構造成具有相同速率的、沿著相反方向的精確的軸向位移，以使得導葉環136轉動到控制面板所指定的所需位置。每個促動器137包括伺服電機138，所述伺服電機例如連接于直線的推拉桿140(又名推桿)。伺服電機138構造成以軸向的方式推開或拉回軸140，如圖3b所示例性顯示，圖3b顯示了促動器137a處于推動位置，而促動器137b處于拉回位置。軸140連接于導葉操作環136的相對側，根據從控制面板接收到的信號開啟或關閉渦輪機130的導葉134，所述從控制面板接收到的信號跟隨用于控制水力發電的水電調節系統的指令。

相應地，當指定的促動器137a推動導葉環136時，另一個促動器137b會同時以大小相同但方向相反的速度、力、位移拉回導葉環136的相對側，從而使環136以控制面板所顯示的指定的方向發生轉動。

如上所述，如圖4所示例性顯示，每個伺服電機138的轉動軸可與推拉桿140相連，以將轉動運動轉變為直線運動。

圖4顯示了推拉桿的一個示例性的構造，用于將伺服電機的旋轉運動轉變為直線(推/拉)運動。

如圖4的實施例所示，推拉桿140包括螺紋軸142、缸體/底盤143和連接于缸體143且與螺紋軸142的螺紋相配合的多個螺紋部件144。在操作過程中，轉動軸142連接到伺服電機138的轉動軸。當螺紋軸142以指定方向轉動時，由于缸體143連接導葉環136且不能隨軸142轉動，軸142的旋轉運動會引起缸體143在推拉桿外殼146內軸向前后運動(如圖5a和圖5b所示例性顯示)，從而將伺服電機138的旋轉運動轉化為軸向運動，來通過導葉操作環136控制導葉134的開啟。缸體143可置于推拉桿外殼146內。附圖5a顯示促動器處于收縮位置，而附圖5b顯示促動器處于伸展位置。

由于促動器是直接暴露在水里，這些促動器及每個促動器的關聯軸的整體組件的防水對于避免腐蝕、確保持久作業是非常重要的。在一個實施例中，此處描述的防水結構符合IP68防水標準。

圖6a至圖6c顯示了用于促動器及其關聯軸的防水的密封系統的實施例。附圖6a顯示促動器處于完全收縮位置。附圖6b顯示促動器處于半伸展位置，附圖6c顯示促動器處于完全伸展位置。

圖6a至圖6c中，每個伺服電機138均設置在防水外殼150內。在一個實施例中，外殼150可以包括水封的IP68電子/電源控制單元152，所述控制單元152以安全的方式通過殼體150給伺服電機提供控制/電源信號；和柔性的且水封的膜154，IP68伸縮水封促動器管156延伸穿過所述膜154。膜設計成柔性的，以吸收振動、搖動和發生在渦輪機運行過程中的各種運動，比如突發的開啟和關閉等。伸縮水封促動器管156以一種方式包圍且包含推拉桿外殼146及伺服電機138的推桿140，所述方式允許推桿如附圖6a至6c示例性所示不透水地在管156內伸展和收縮，因此促動器137可以在水下環境運行且不受伺服電機和相關電力傳輸部件耐久性的影響。

附圖7為方法200的流程圖，所述方法用于控制水下式水力發電系統的運行，所述系統包括連接于導葉操作環的多個導葉。在步驟202中，所述方法包括提供推拉桿，所述推拉桿構造成將從第一端接收的旋轉運動轉化為伸縮端的直線運動，伸縮端和第一端位置相對。步驟204包括將推拉桿的第一端連接于電動機，根據第一端的轉動以直線方式移動伸縮端，伸縮端的直線運動用于使導葉操作環轉動。步驟206包括提供用于罩住電動機和推拉桿的防水結構。

雖然結合附圖描述和展示了優選的實施例，但在不違背本發明的情況下，進行各種改進對于本領域技術人員而言是清楚的。這樣的改進應當看作本發明的范圍內的可能的變體。