一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機及其做功方法
【專利摘要】本發明公開了一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機及其做功方法，其立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機包括發電機構、勵磁機構、轉輪機構、尾水管、導水機構和轉輪室，轉輪機構包括螺旋片、旋轉內罩和固定外罩，螺旋片螺旋分布在旋轉內罩內側，旋轉內罩與固定外罩通過密封軸承連接構成封閉的環形空腔，發電機構與勵磁機構同軸上下并列安裝在環形空腔內，導水機構、轉輪室和尾水管形成水流封閉通道；本發明所述立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機壽命長，建設成本與生產管理成本較低，水能轉化效率高。
【專利說明】
一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機及其做功方法
技術領域
[0001]本發明涉及水電設備領域，尤其涉及一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機及其做功方法。
【背景技術】
[0002]水輪發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]現有的水輪機普遍所存在的問題是:I)水輪機的葉輪與發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，且較長傳動軸出現偏心轉動時，容易導致對發電機造成損壞;2)現有水輪發電裝置的發電機和勵磁機在工作中會產生大量的廢熱(主要由導線中強電流產熱、及軸承轉動摩擦產熱)，需要安裝專用的散熱、冷卻系統，當散熱、冷卻系統出現問題時，容易導致機芯、軸承燒壞，而且即使在冷卻系統正常工作下，由于定子和轉子呈內、外層分布，位于內層的轉子產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，內層轉子與外層定子存在較大的溫差，內層轉子容易燒毀;3)現有水輪機，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熱損耗，水流能量的利用率相對較低，現階段，軸流式水輪機的較高穩定效率僅為90%;4)現有的每組水輪發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;5)由于水輪發電機中的定子、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。上述因素給電站的建設造成了較大的投入成本與生產管理成本，且電站生產產能相對較低，部分小型可利用水能資源被浪費。
【發明內容】
[0006]本發明所要解決的技術問題為:I)現有水輪發電裝置中傳動軸和軸承由于受力較大、摩擦產溫較高，其損耗較大;2)現有水輪發電裝置的發電機和勵磁機在工作中會產生大量的廢熱，需要安裝專用的冷卻系統，且其冷卻系統的冷卻效果欠佳，容易燒毀機芯;3)現有水輪機的較高穩定效率僅在90%左右;4)現有的水輪發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;5)水輪發電機中的定子、轉子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高。
[0007]為解決其技術問題本發明所采用的技術方案為:一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，包括發電機構、勵磁機構、轉輪機構、尾水管、導水機構和轉輪室；
其特征在于:轉輪機構包括螺旋片、旋轉內罩和固定外罩，螺旋片螺旋分布在旋轉內罩內偵U，并固定安裝在旋轉內罩內側筒面上，旋轉內罩與固定外罩通過密封軸承連接構成封閉的環形空腔，發電機構與勵磁機構同軸上下并列安裝在環形空腔內，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，導水機構與固定外罩同軸線固定連接，導水機構位于固定外罩的上方，轉輪室為旋轉內罩所圍空腔，導水機構、轉輪室和尾水管共同形成封閉水流通道；
所述發電機構包括發電勵磁繞組和發電電樞繞組，所述勵磁機構包括勵磁機勵磁繞組和勵磁機電樞繞組；
發電勵磁繞組與發電電樞繞組同軸內、外層分布，勵磁機勵磁繞組和勵磁機電樞繞組分別位于發電勵磁繞組和發電電樞繞組的下方；
發電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組安裝在旋轉內罩內，發電電樞繞組和勵磁機電樞繞組安裝在固定外罩內。
[0008]作為進一步優化說明，所述旋轉內罩與固定外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。
[0009]作為進一步優化，所述尾水管和引導機構與旋轉內罩的間隙部位設置陶瓷密封軸承;該種結構可提高環形空腔的密封性，改善密封軸承的工作環境，減小密封軸承的受力負荷，減小固定外罩與旋轉內罩的摩擦。
[0010]作為進一步優化，為了具有更好的防水性能，所述旋轉內罩與固定外罩邊角連接處設置有相互配合的折形離心甩水邊環，折形離心甩水邊環的間隙口沿徑向朝外。
[0011]作為進一步優化，為了更好的增強折形離心甩水邊環的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環內還安裝有樹脂耐磨環。
[0012]基于上述技術方案的說明，所述立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機做功過程中，其轉輪室與水流共同旋轉帶動發電機構做功。
[0013]工作原理:該發明所述立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，工作時，水流經過導水機構的引導與控制，流入轉輪室，轉輪室中螺旋片在水流壓力的驅動下帶動螺旋片和旋轉內罩共同轉動，旋轉內罩的轉動驅動發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，切割勵磁機電樞繞組，產生交流電輸入到外界整流設備，外界整流設備經過整流后，通過導電刷導電到發電勵磁繞組，使發電勵磁繞組產生磁場，在發電勵磁繞組在轉動時切割發電電樞繞組的線圈，使發電電樞繞組輸出電流。
[0014]該發電機構的發電勵磁繞組位于中部，發電電樞繞組位于外部，該種發電機構的電樞繞組和勵磁繞組與現有常用發電機中電樞繞組和勵磁繞組的分布相同，也即正裝結構模式，發電電樞繞組轉動時，切割發電勵磁繞組線圈，用于產生感應電流，該種結構的發電電樞繞組具有較大的分布面積，同等電樞繞線面積下，繞組分布面積越大，繞組厚度越小。
[0015]該轉輪機構采用螺旋片作為水壓驅動葉片，相對普通的槳葉片，螺旋片可持續接受水壓驅動，延長流經水體的壓力作用時間，減小水流余留動能，提高水能轉化率。
[0016]有益效果:本發明所述的立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，相對于現有水輪發電裝置，由于其發電勵磁繞組和發電電樞繞組直接安裝在轉輪機構的旋轉內罩與固定外罩內，發電工作過程產生的廢熱可直接通過旋轉內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;而且，由于發電勵磁繞組安裝在旋轉內罩，旋轉內罩中空通水，同級別的發電功率下，其體積相對較小，表面積比較大，散熱速率塊，其發電勵磁繞組可直接通過旋轉內罩導熱到外界，相對于傳統的轉子結構模式，其熱量傳導無需通過轉子與定子間的隔空層，其發電機構廢熱可直接散熱到水流中，相比現有的發電機散熱系統，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。
[0017]同時，由于轉輪機構與發電機構、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管理成本。
[0018]此外，由于螺旋片和旋轉內罩在水壓驅動下，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，其水流與旋轉內罩摩擦耗能較小，空化系數較小，轉換效率能得到提高;本發明所述的立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機的較高穩定效率可達95%。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明方案一的垂直剖視視結構示意圖；
圖2為本發明方案一的水平剖視結構示意圖；
圖3為本發明方案二的垂直剖視視結構示意圖；
圖4為本發明方案二中折形離心甩水邊環結構放大示意圖；
圖5為本發明方案三中折形離心甩水邊環結構放大示意圖；
圖中:I為發電機構、11為發電勵磁繞組、12為發電電樞繞組、2為勵磁機構、21為勵磁機勵磁繞組、22為勵磁機電樞繞組、3為轉輪機構、31為螺旋片、32為旋轉內罩、33為固定外罩、34為密封軸承、35為環形空腔、36為陶瓷密封軸承、37為折形離心甩水邊環、38為樹脂耐磨環、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]下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發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明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0021]方案一(如圖1和圖2所示):一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，包括發電機構1、勵磁機構2、轉輪機構3和尾水管4;轉輪機構3包括螺旋片31、旋轉內罩32和固定外罩33，螺旋片31螺旋分布在旋轉內罩32內側，旋轉內罩32與固定外罩33通過密封軸承34連接構成封閉的環形空腔35，發電機構I與勵磁機構2同軸上下并列安裝在環形空腔35內，尾水管4與固定外罩33同軸線固定連接，尾水管4位于固定外罩33的下方，導水機構5與固定外罩33同軸線固定連接，導水機構5位于固定外罩33的上方，轉輪室6為旋轉內罩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;所述發電機構I包括發電勵磁繞組11和發電電樞繞組12，所述勵磁機構2包括勵磁機勵磁繞組21和勵磁機電樞繞組22;發電勵磁繞組11和發電電樞繞組12同軸內、外層分布，呈環形分布，勵磁機勵磁繞組21和勵磁機電樞繞組22分別位于發電勵磁繞組11和發電電樞繞組12的下方;發電勵磁繞組11和勵磁機勵磁繞組21安裝在旋轉內罩32內，發電電樞繞組12和勵磁機電樞繞組22安裝在固定外罩33內；旋轉內罩32與固定外罩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電勵磁繞組11;為了減小旋轉內罩32受到的摩擦，同時提高其密封性，所述尾水管4和引導機構5與旋轉內罩32的間隙部位設置陶瓷密封軸承36。。
[0022]上述實施方案中，所述立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機做功過程中，其轉輪室6與水流共同旋轉帶動發電機構做功。
[0023]通過上述方案一實施方式，所述立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機的穩定效率可達95%，相比傳統的軸流式水輪發電機，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，所述旋轉內罩32與固定外罩33連接邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環37，折形離心甩水邊環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37的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環37內還安裝有樹脂耐磨環38。
[0026]最后應說明的是:以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，盡管參照前述實施例對本發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，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，包括發電機構(1)、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)包括螺旋片(31)、旋轉內罩(32)和固定外罩(33)，螺旋片(31)螺旋分布在旋轉內罩(32)內側，并固定安裝在旋轉內罩(32)內側筒面上，旋轉內罩(32)與固定外罩(33)通過密封軸承(34)連接構成封閉的環形空腔(35)，發電機構(I)與勵磁機構(2)同軸上下并列安裝在環形空腔(35)內，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，導水機構(5)與固定外罩(33)同軸線固定連接，導水機構(5)位于固定外罩(33)的上方，轉輪室(6)為旋轉內罩(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，發電機構(I)包括發電勵磁繞組(11)和發電電樞繞組(12)，勵磁機構(2)包括勵磁機勵磁繞組(21)和勵磁機電樞繞組(22)，發電勵磁繞組(11)與發電電樞繞組(12)同軸內、外層分布，發電勵磁繞組(11)和勵磁機勵磁繞組(21)安裝在旋轉內罩(32)內，發電電樞繞組(12)和勵磁機電樞繞組(22)安裝在固定外罩(33)內，勵磁機勵磁繞組(21)和勵磁機電樞繞組(22)分別位于發電勵磁繞組(11)和發電電樞繞組(12)的下方。2.根據權利要求1所述的立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，其特征在于:所述旋轉內罩(32)與固定外罩(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.根據權利要求2所述的立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，其特征在于:所述旋轉內罩(32)與尾水管(4)的間隙部位、以及旋轉內罩(32)與引導機構(5)的間隙部位均設置有陶瓷密封軸承(36)。4.根據權利要求3所述的立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，其特征在于:所述旋轉內罩(32)與固定外罩(33)邊角連接處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(37)，折形離心甩水邊環(37)的間隙口沿徑向朝外。5.根據權利要求4所述的立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機，其特征在于:所述折形離心甩水邊環(37)內還安裝有樹脂耐磨環(38)。6.—種立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機的做功方法，其特征在于:所述立式中通正裝螺旋軸流式水輪發電機的轉輪室(6)與水流共同旋轉帶動發電機構(I)做功。
【文檔編號】F03B3/04GK106014812SQ201610468905
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月25日
【發明人】郭遠軍
【申請人】郭遠軍