一種臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機及其做功方法
【專利摘要】本發明公開了一種臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機及其做功方法，其臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機包括發電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構、轉軸機構和固定后蓋，斜擊葉輪機構包括斜擊葉片和環形槽，斜擊葉片均勻分布在環形槽外層壁外側，發電機構與勵磁機構并列安裝在環形槽與固定后蓋構成的封閉空間內，環形槽安裝在轉軸機構上，轉軸機構與環形槽同中心軸線；本發明所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機通用性較好，壽命長，制造、建設成本與生產管理成本較低，防水性好。
【專利說明】
一種臥式防水_體化正裝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，尤其涉及一種臥式防水一體化正裝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，會在轉軸的連接處以及中部設置多個軸承，這種結構方式非常耗材，且轉軸仍容易出現偏心轉動，容易導致對發電機造成損失；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生產)，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，容易導致機芯燒壞;3)現有斜擊式水輪機的發電效率普遍相對偏低，其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)現有水輪發電機采用立式安裝時，中心轉子轉軸呈豎直方向，轉子上部積水容易從上端軸承連接處滲入機芯，因而需要其上端軸承的防水要求較高，部件制造成本偏高。
[0006]由于上述因素，在電站建設中，電站設計較復雜、基建工程量較大，設備運輸、安裝成本較高;且其定子、轉子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高;上述問題給小型電站的建設造成了較大的投入成本與生產管理成本，且產能較小，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:現有的斜擊式水輪發電裝置的結構復雜、場地占用體積較大，冷卻效果欠佳，容易導致機芯燒壞，效率普遍偏低，防水性較差，原材料、組件、線材和零部件的通用性較差，組件易損耗，制造、建設成本與生產管理成本較高。
[0009]為解決其技術問題本發明所采用的技術方案為:一種臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，包括發電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構、轉軸機構和固定后蓋；
其特征在于:斜擊葉輪機構包括斜擊葉片和環形槽，斜擊葉片均勻分布在環形槽外層壁外側，發電機構與勵磁機構同軸前后并列安裝在環形槽與固定后蓋構成的封閉空間內，環形槽的槽口向后，環形槽安裝在轉軸機構上，轉軸機構與環形槽同軸花鍵連接，固定后蓋固定安裝在水平支撐臂上，斜擊葉片的前側為噴嘴，斜擊葉片外層為集水外殼，集水外殼下部設置有泄水道；
所述發電機構包括發電轉子繞組和發電定子繞組，所述勵磁機構包括勵磁機轉子繞組和勵磁機定子繞組;所述轉軸機構包括轉軸柱、導電芯和電刷環，多對導電芯相互絕緣密封安裝在轉軸柱內，多對電刷環安裝在轉軸柱一端柱面上，導電芯的一端與電刷環對應連接；所述發電轉子繞組與勵磁機轉子繞組同軸前后并列固定安裝在環形槽內層壁內側，環形槽的中部通孔花鍵連接轉軸柱，發電轉子繞組的勵磁供電電極對與勵磁機轉子繞組的電流輸出電極對分別導電連接其相應的導電芯；
所述發電定子繞組和勵磁機定子繞組分別位于發電轉子繞組和勵磁機轉子繞組的外偵U，發電定子繞組和勵磁機定子繞組同軸前后并列固定安裝在固定后蓋的環形壁內側，固定后蓋固定在水平支撐臂；
固定后蓋的環形壁外側與環形槽外層壁內側間設置有密封支撐軸承。
[0010]作為進一步優化，為了減小密封支撐軸承的摩擦損耗，所述固定后蓋的中部內側還設置有支撐軸承，
作為進一步優化，為了具有更好的防水性能，所述環形槽外層壁向內延伸出縮口圍邊，固定后蓋環形邊角處還設置有環形離心甩水槽，縮口圍邊滑動配合環形離心甩水槽。
[0011]作為進一步優化，為了更好的增強環形離心甩水槽的甩水效果和耐磨性，所述環形離心甩水槽內還安裝有樹脂耐磨環。
[0012]作為進一步優化，為了更好地增強環形離心甩水槽的甩水隔水效果和耐磨性，所述環形離心甩水槽內還安裝有環形絨刷。
[0013]基于上述所述技術方案，其臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的做功方法為:所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的斜擊葉片豎直分布，噴嘴安裝在斜擊葉片前方，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6%至10%，其動能轉化效率可達90%至94%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定動能轉化效率提高8%至12%左右。
[0014]工作原理:該發明所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，工作時，噴嘴向斜擊葉片噴射水流，驅動斜擊葉輪機構轉動，并帶動發電轉子繞組和勵磁機轉子繞組轉動，勵磁機轉子繞組在轉動時，切割勵磁機定子繞組磁場，產生交流電，并通過導電芯和電刷環傳導到外界的勵磁整流設備，由外界的勵磁整流設備整流后產生恒壓穩定直流，再通過并電刷環和導電芯傳導到發電轉子繞組，使發電轉子繞組產生磁場，在發電轉子繞組在轉動時切割發電定子繞組的線圈，使發電定子繞組輸出電流。
[0015]該臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，由于發電轉子繞組和勵磁機轉子繞組直接安裝在斜擊葉輪機構，由于斜擊葉片和環形槽具有較好的導熱率和較大的導熱面積，斜擊葉片兼具散熱片功效，發電工作過程產生的廢熱直接通斜擊葉片散熱到水流中，其散熱效果極佳，能省去了專門的冷確散熱系統和熱監控系統;此外，由于發電機構與斜擊葉輪機構的一體化，傳動軸部件相應的被省去，大大簡化了水輪發電裝置的結構和材料，并防止傳動軸偏心問題，避免定子繞組或轉子繞組被燒壞的問題，增長了設備的使用壽命;另外，由于環形槽的槽口向后，環形槽的前方呈整體式密封，環形槽上部積水無法滲入發電機構機芯內，其環形槽對支撐軸承的密封要求較低。
[0016]該發電機構的發電轉子繞組位于中部，發電定子繞組位于外部，發電轉子繞組用于勵磁，發電定子繞組用于產生感應電壓，該種結構為現有發電機的常用模式，也即正裝結構模式，該種結構的發電定子繞組具有較大的分布面積，同等電樞繞線面積下，分布面積越大，繞組厚度越小。
[0017]有益效果:本發明所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，相對于現有水輪發電裝置，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傳動，廢熱可直接通過斜擊葉片散熱到水流中，具有極好的散熱效果，能有效的避免傳動軸偏心問題，以及避免定子繞組或轉子繞組被燒壞的問題，增長了設備的使用壽命，且大大簡化了水輪發電裝置的結構和材料，縮小了設備體積。同時，由于設備被一體化，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，減少了電站制造、建設成本與生產管理成本。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發明方案一的前視結構示意圖；
圖2為本發明方案一的垂直剖視結構示意圖；
圖3為本發明方案一的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖4為本發明方案一的水平剖視結構示意圖；
圖5為本發明方案二的水平剖視結構示意圖；
圖6為本發明方案二中環形離心甩水槽結構放大示意圖；
圖7為本發明方案三中環形離心甩水槽結構放大示意圖；
圖8為本發明方案四中環形離心甩水槽結構放大示意圖；
圖中:I為發電機構、11為發電轉子繞組、12為發電定子繞組、2為勵磁機構、21為勵磁機轉子繞組、22為勵磁機定子繞組、3為斜擊葉輪機構、31為斜擊葉片、32為環形槽、33為縮口圍邊、4為轉軸機構、41為轉軸柱、42為導電芯、43為電刷環、5為固定后蓋、51為支撐軸承、52為密封支撐軸承、53為環形離心甩水槽、54為樹脂耐磨環、55為環形絨刷、6為噴嘴、7為水平支撐臂、8為集水外殼、9為泄水道。
【具體實施方式】
[0019]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。
[0020]方案一(如圖1至圖4所示):一種臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，包括發電機構1、勵磁機構2、斜擊葉輪機構3、轉軸機構4、固定后蓋5和噴嘴6;斜擊葉輪機構3包括斜擊葉片31和環形槽32，環形槽32的槽口向后，斜擊葉片31均勻分布在環形槽32外層壁外側;發電機構I包括發電轉子繞組11和發電定子繞組12，勵磁機構2包括勵磁機轉子繞組21、勵磁機定子繞組22和外界的勵磁整流設備；轉軸機構4包括轉軸柱41、導電芯42和電刷環43，多對導電芯42相互絕緣密封安裝在轉軸柱41內，多對電刷環43安裝在轉軸柱41 一端柱面上，導電芯42的一端與電刷環43對應連接;發電轉子繞組11與勵磁機轉子繞組21同軸前后并列固定安裝在環形槽32內層壁內側，環形槽32的中部通孔密封過盈連接轉軸柱41，發電轉子繞組11的勵磁供電電極對與勵磁機轉子繞組21的電流輸出電極對分別導電連接其相應的導電芯42;外界的勵磁整流設備導電連接多對電刷環43;發電定子繞組12和勵磁機定子繞組22分別位于發電轉子繞組11和勵磁機轉子繞組21的外側，發電定子繞組12和勵磁機定子繞組22同軸前后并列安裝在固定后蓋5的環形壁內側，固定后蓋5的中部內側設置有支撐軸承51，固定后蓋5的環形壁外側與環形槽32外層壁內側間設置有密封支撐軸承52;固定后蓋5固定安裝在水平支撐臂7上，斜擊葉片31外層為集水外殼8，集水外殼8下部設置有泄水道9;噴嘴6安裝在斜擊葉片31前方，斜擊葉片31豎直分布，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，其傾角為20°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈45°。
[0021]通過采用方案一實施方式結構，所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的穩定發電效率可達90%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定發電效率提高8%左右。
[0022]方案二(如圖5和圖6所示):與方案一不同之處在于:為了具有更好的防水性能，所述環形槽32外層壁向內延伸出縮口圍邊33，固定后蓋5環形邊角處還設置有環形離心甩水槽53，縮口圍邊33滑動配合環形離心甩水槽53。
[0023]方案三(如圖7所示):與方案二不同之處在于:為了更好地增強環形離心甩水槽53的甩水隔水效果和耐磨性，所述環形離心甩水槽53內還安裝有樹脂耐磨環54。
[0024]方案四(如圖8所示):與方案二不同之處在于:為了更好地增強環形離心甩水槽53的甩水隔水效果和耐磨性，所述環形離心甩水槽53內還安裝有環形絨刷55。
[0025]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，所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的穩定發電效率可達92%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定發電效率提高10%左右。
[0026]方案六: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，所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的穩定發電效率可達94%，相比傳統斜擊式水輪發電機的穩定發電效率提高12%左右。
[0027]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】
1.一種臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，包括發電機構(I)、勵磁機構(2)、斜擊葉輪機構(3)、轉軸機構(4)、固定后蓋(5)、噴嘴(6)、水平支撐臂(7)和集水外殼(8)，其特征在于:斜擊葉輪機構(3)包括斜擊葉片(31)和環形槽(32)，斜擊葉片(31)均勻分布在環形槽(32)外層壁外側，發電機構(I)與勵磁機構(2)同軸前后并列安裝在環形槽(32)與固定后蓋(5)構成的封閉空間內，環形槽(32)的槽口向后，環形槽(32)安裝在轉軸機構(4)上，轉軸機構(4)與環形槽(32)同軸花鍵連接，固定后蓋(5)固定安裝在水平支撐臂(7)上，斜擊葉片(31)的前側為噴嘴(6)，斜擊葉片(31)外層為集水外殼(8)，集水外殼(8)下部設置有泄水道(9)，發電機構(I)包括發電轉子繞組(11)和發電定子繞組(12)，勵磁機構(2)包括勵磁機轉子繞組(21)和勵磁機定子繞組(22)，發電定子繞組(12)和勵磁機定子繞組(22)分別位于發電轉子繞組(11)和勵磁機轉子繞組(21)的外側，發電轉子繞組(11)與勵磁機轉子繞組(21)同軸前后并列固定安裝在環形槽(32)內層壁內側，發電定子繞組(12)和勵磁機定子繞組(22)同軸前后并列固定安裝在固定后蓋(5)的環形壁內側。2.根據權利要求1所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述轉軸機構(4)包括轉軸柱(41)、導電芯(42)和電刷環(43)，多對導電芯(42)相互絕緣密封安裝在轉軸柱(41)內，多對電刷環(43)安裝在轉軸柱(41)一端柱面上，導電芯(42)的一端與電刷環(43)對應連接，環形槽(32)的中部通孔花鍵連接轉軸柱(41)，發電轉子繞組(II)的勵磁供電電極對與勵磁機轉子繞組(21)的電流輸出電極對分別導電連接其相應的導電芯(42)，固定后蓋(5)固定在水平支撐臂(7)，固定后蓋(5)的環形壁外側與環形槽(32)外層壁內側間設置有密封支撐軸承(52)。3.根據權利要求2所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述固定后蓋(5)的中部內側還設置有支撐軸承(51)。4.根據權利要求2所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述環形槽(32)外層壁向內延伸出縮口圍邊(33)，固定后蓋(5)環形邊角處還設置有環形離心甩水槽(53)，縮口圍邊(33)滑動配合環形離心甩水槽(53)。5.根據權利要求4所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述環形離心甩水槽(53)內還安裝有樹脂耐磨環(54)。6.根據權利要求4所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述環形離心甩水槽(53)內還安裝有環形絨刷(55)。7.根據權利要求1、2、3或4所述的臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機，其特征在于:所述斜擊葉輪機構(3)豎直安裝，斜擊葉片(31)豎直分布，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)前方，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°。8.根據權利要求1所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的做功方法，其特征在于:所述臥式防水一體化正裝斜擊式水輪發電機的斜擊葉片(31)豎直分布，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)前方，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】F03B11/00GK106089549SQ201610468716
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月25日
【發明人】郭遠軍
【申請人】郭遠軍