一種傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機及其做功方法
【專利摘要】本發明公開了一種傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機及其做功方法，傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機包括發電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構和轉軸機構，斜擊葉輪機構包括斜擊葉片、環形旋轉罩和環形固定罩，斜擊葉片環形分布在環形旋轉罩內側，環形旋轉罩與環形固定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，環形固定罩固定安裝在支撐管柱上；本發明所述傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機壽命長，建設成本與生產管理成本較低，通用性較好，動能轉化效率高。
【專利說明】
一種傘式高效勵磁中通斜擊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，尤其涉及一種傘式高效勵磁中通斜擊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]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，對葉片的材質和制造工藝要求較低，且運行穩定、噪音小，總體性價比較高，深受國內外小型電站企業的喜好。
[0005]然而，現有的斜擊式水輪機所存在的問題是: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;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。
[0007]此外，現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，水流動能轉化效率偏低;且其動能的傳動過程中動能損耗較大，發電效率偏低。
【發明內容】
[0008]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)現有斜擊式水輪機的效率僅在80%至84%，普遍偏低;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;6)勵磁繞組的勵磁效率較低。
[0009]為解決其技術問題本發明所采用的技術方案為:一種傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，包括發電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構、支撐管柱和噴嘴；
其特征在于:斜擊葉輪機構包括斜擊葉片、環形旋轉罩和環形固定罩，斜擊葉片扇形分布在環形旋轉罩外部的內徑側，環形旋轉罩與環形固定罩同軸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，支撐管柱與環形固定罩同軸線固定連接，撐管柱中部為排水道，排水道位于斜擊葉片下方，噴嘴安裝在斜擊葉片上方；
所述發電機構包括發電勵磁繞組、第一發電電樞繞組和第二發電電樞繞組；
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；
第一發電電樞繞組、發電勵磁繞組和第二發電電樞繞組同軸外、中、內層分布；
發電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組同軸安裝在環形旋轉罩內的中部，發電勵磁繞組位于勵磁機勵磁繞組的上方；
第一發電電樞繞組和第一勵磁機電樞繞組同軸上、下層安裝在環形固定罩內的外徑側；
第二勵磁機電樞繞組和第二發電電樞繞組同軸上、下層安裝在環形固定罩內的內徑側。
[0010]環形旋轉罩與環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]作為進一步優化，為了具有更好的防水性能，所述環形旋轉罩與環形固定罩邊角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。
[0012]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。
[0013]基于上述所述技術方案，其傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機的做功方法為:所述傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發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逐步向徑向內側流動，并持續對葉片施力，直至在斜擊葉片的徑向內側下方流出，流出的水流余能可接近8%至14%，其動能轉化效率可達86%至92%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定動能轉化效率提高6%至12%左右。
[0014]工作原理:該發明所述傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，工作時，噴嘴向斜擊葉片噴射水流，驅動斜擊葉片和環形旋轉內罩轉動，并直接帶動發電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組轉動，勵磁機勵磁繞組在轉動時，切割第一勵磁機電樞繞組與第二勵磁機電樞繞組，產生交流電輸入到外界的整流設備，外界的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第一發電電樞繞組與第二發電電樞繞組的線圈，使第一發電電樞繞組與第二發電電樞繞組輸出電流。
[0015]該傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，由于發電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組直接安裝在斜擊葉輪機構的環形旋轉罩與環形固定罩內，發電工作過程產生的廢熱可直接通過環形旋轉罩與環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，同時也省去了傳動軸部件，大大簡化了水輪發電裝置的結構和材料。
[0016]有益效果:本發明所述的傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，相對于現有水輪發電裝置，其發電機構和勵磁機構直接安裝在斜擊葉輪機構內，實現了水輪機構與發電機構、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;且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，能有效避免燒毀機芯的問題，增長設備的使用壽命。
[0017]另外，本發明所述的傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機大大簡化了水輪發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管理成本。
[0018]此外，由于發電機勵磁繞組的兩個磁極的磁通量均被利用于切割發電機電樞繞組，在同等勵磁電流下，勵磁效率相對傳統勵磁方式提高一倍。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發明方案一的俯視結構不意圖；
圖2為本發明方案一水平剖視結構示意圖；
圖3為本發明方案一的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖4為本發明方案二的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖5為本發明方案二中折形離心甩水邊環結構放大示意圖；
圖6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、13為第二發電電樞繞組、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為環形旋轉罩、33為環形固定罩、34為密封軸承、35為環形空腔、36為折形離心甩水邊環、37為樹脂耐磨環、4為支撐管柱、41為排水道、5為導電刷、6為噴嘴。
【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至圖3所示):一種傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，包括發電機構1、勵磁機構2、斜擊葉輪機構3和支撐管柱4;斜擊葉輪機構3包括斜擊葉片31、環形旋轉罩32和環形固定罩33，斜擊葉片31扇形分布安裝在環形旋轉罩32外部的內徑側，環形旋轉罩32與環形固定罩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，支撐管柱4與環形固定罩33同軸線固定連接;所述發電機構I包括發電勵磁繞組11、第一發電電樞繞組12和第二發電電樞繞組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;第一發電電樞繞組12、發電勵磁繞組11和第二發電電樞繞組13同軸外、中、內層分布;發電勵磁繞組11和勵磁機勵磁繞組21同軸安裝在環形旋轉罩32內的中部，發電勵磁繞組11位于勵磁機勵磁繞組21的上方;第一發電電樞繞組12和第一勵磁機電樞繞組22同軸上、下層安裝在環形固定罩33內的外徑側;第二勵磁機電樞繞組23和第二發電電樞繞組13同軸上、下層安裝在環形固定罩33內的內徑側;環形旋轉罩32與環形固定罩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電勵磁繞組11。
[0022]上述實施方案中傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機的做功方式為: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°。
[0023]通過上述方案一實施方式，所述傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機的穩定動能轉化效率可達86%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定動能轉化效率提高6%左右。
[0024]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，所述環形旋轉罩32與環形固定罩33連接邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環36，折形離心甩水邊環36的間隙口沿徑向朝外。
[0025]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36的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環36內還安裝有樹脂耐磨環37。
[0026]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，其穩定動能轉化效率可達92%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定動能轉化效率提高12%左右。
[0027]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，其穩定動能轉化效率可達89%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定動能轉化效率提高9%左右。
[0028]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】
1.一種傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，包括發電機構(I)、勵磁機構(2)、斜擊葉輪機構(3)、支撐管柱(4)和噴嘴(6)，其特征在于:斜擊葉輪機構(3)包括斜擊葉片(31)、環形旋轉罩(32)和環形固定罩(33)，斜擊葉片(31)扇形分布安裝在環形旋轉罩(32)外部的內徑側，環形旋轉罩(32)與環形固定罩(33)同軸通過密封軸承(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，環形固定罩(33)外部下側面固定安裝在支撐管柱(4)上，支撐管柱(4)中部為排水道41，排水道41位于斜擊葉片(31)下方，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)上方，發電機構(I)包括發電勵磁繞組(11)、第一發電電樞繞組(12)和第二發電電樞繞組(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)，第一發電電樞繞組(12)、發電勵磁繞組(11)和第二發電電樞繞組(13)同軸外、中、內層分布，發電勵磁繞組(11)和勵磁機勵磁繞組(21)同軸安裝在環形旋轉罩(32)內的中部，發電勵磁繞組(11)位于勵磁機勵磁繞組(21)的上方，第一發電電樞繞組(12)和第一勵磁機電樞繞組(22)同軸上、下層安裝在環形固定罩(33)內的外徑側，第二勵磁機電樞繞組(23)和第二發電電樞繞組(13)同軸上、下層安裝在環形固定罩(33)內的內徑側。2.根據權利要求1所述的傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述環形旋轉罩(32)與環形固定罩(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.根據權利要求2所述的傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述環形旋轉罩(32)與環形固定罩(33)邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(36)，折形離心甩水邊環(36)的間隙口沿徑向朝外。4.根據權利要求3所述的傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述折形離心甩水邊環(36)內還安裝有樹脂耐磨環(37)。5.根據權利要求1或2或3或4所述的傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機，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.—種傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機的做功方法，其特征在于:所述傘式高效勵磁中通斜擊式水輪發電機的斜擊葉片(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】H02K7/20GK106050527SQ201610468869
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年6月25日
【發明人】郭遠軍
【申請人】郭遠軍