CN102099566A - 流体转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及流体转换器，用于将机械能转化成其他形式的能量，优选电能的装置。业已制作了被称作流体转换器的所述装置，以便通过流体介质使其运动的具有位于其周围的螺旋形涡轮叶片(1c)的旋转涡轮锥(1)是通过主轴承(8)相对固定的外壳(2)支撑的，并且通过滑环密封件(23)，轴向轴密封环(30)和径向轴密封环(31)密封，以便用于有效转换旋转速度(24)和转换能量(25)的装置能够位于由此形成的空腔内，并且能够有效防止所述流体介质渗透，流体材料可以通过所述流体转换器的结构排放，并且可以转移大的功率。

Description

流体转换器
技术领域
本发明涉及用于将机械能转化成其他形式的能量，优选电能的装置。业已制作了被称作流体转换器的所述装置，以便它可用于通过其紧凑的设计多种流体介质发电，该设计包括集成的发电机和同样集成的齿轮机构，如果必要，还可以集成轴承系统。在其周边排列有螺旋形推进器叶片的旋转圆锥现在能够通过轴承系统相对所述锥形头上的外壳旋转，整合了所述转速转换装置，能量转换装置，并且密封所述流体介质。
背景技术
用于将风能和水力转化成电能的具有各种大小和设计的涡轮是众所周知的。
其中，包括在DE 297 21 671U1中披露的螺旋桨，它通过水流或移动的空气产生能量，其特征在于具有2-5个固定在空心圆锥上的单旋转螺旋叶片，它可以用所述流体介质冲刷，其螺旋直径等于所述螺旋长度，锥形头的直径为所述螺旋桨直径的一半。
另外，在US 4722665中披露了一种涡轮，它包括采用了齿轮机构和若干发电机的空心圆锥，通过沿所述锥端上的流动方向安装的空心轴将电缆引向外部，并且支撑着所述整个涡轮结构。
US 1 191 950和FR 557 189都披露了用于水能利用的、成对安装、并且固定在所述锥形涡轮体外部的轴承上的锥形涡轮。
专利US 188 020和FR 827 487披露了用于风能利用的、安装在所述锥形涡轮体外部一侧并且固定在轴承上的锥形涡轮。
通过WO 95 24 562我们可知，轴流涡轮机由旋转装置和被用作进口导向装置的固定装置组成，该涡轮被设置在管道系统内部，能够通过主体和叶片的几何结构稳定所述涡轮内的静压力。
参见DE 20 2006 001 171，现有技术状态还包括低转速电力水力发电机，其形状如圆柱形滚柱，两端由轴承支撑，其周围具有桨叶以便提取水力。
尽管在DE 297 21 671U1中披露的涡轮提供了利用其外部设计将水和风的动能转化成旋转运动的机会，所述涡轮外部旋转运动的传递可导致超速传动或任何其他驱动元件的堵塞和损坏，尤其是在包含有工作物料的流体介质时。
在US 4722665披露的涡轮上，传动齿轮和能量转换装置整合在涡轮锥上，这能提供一些优点，因为所述轴承的空心轴是以逆流的方式安装在所述锥体的尖端的，不过存在工作物料积聚在所述涡轮前部和涡轮叶片中的较大的风险。如果使用不会妨碍接收流体流的装置的较小直径的轴，就不能转移较大的转速。由于所述轴输出是沿流动方向安装的，要插入的密封件也必须能承受积累的压力，这可能需要非常昂贵的技术。
披露于US 1 191 950和FR 557 189中的涡轮也包括位于锥形基础涡轮体外部的驱动和轴承元件。它同样存在工作物料积聚和驱动元件损坏的风险。
由于上述原因，在具有在专利US 188 020和FR 827 487中披露的外部轴承和传动装置的实施方案仅适合风能利用。
如WO 95 24562所述的涡轮被安装在管道内部的轴承系统上，位于所述基础体两个外侧，也可仅用于清洁流体介质。
由工作物料造成的损坏的缺陷也适用于DE 20 2006 001 171披露的电力水力发电机，它的在其轴的两端的轴承上运行的发电机轴直接位于所述流体介质中。
到目前为止，这些类型的涡轮，以及众所周知的大容量涡轮都必须具备防护罩，以防止工作物料造成的破坏。
发明内容
本发明基开发一种涡轮的目的，由于它的紧凑设计和不会对流体造成明显妨碍，可用于所有类型的流体介质进行有效的能量转换，无需采用额外装置作为对工作物料防御。
通过将涡轮锥支撑在所述锥形头壁上以便它能够相对所述固定外壳转动，满足了本发明的要求，它的直径不超过所述锥形头的直径，并且相对所述外壳密封，可以将所述内部设备设置在所述锥形区或设置在所述涡壳区，用于速度和能量转换。
业已证实将所述装置设置成用于将机械能转化成电能是非常有利的，一方面，将磁性环固定在所述涡轮锥上，并且与它一起旋转，另一方面，将一个线圈芯固定在所述涡轮锥内，涡轮锥固定在所述外壳上的。
如果使用转速转换装置的话，将行星齿轮用于所述涡轮锥和外壳的空腔是有利的。
在本发明的另一个实施方案中，非常有利的是将标准化分组件用于所述转速和能量转换装置，并且将它们安装在所述涡轮锥和外壳之间的空腔内。
此时，非常有利的是将所述发电机设置成水冷IP68保护级同步发电机。
如果使用标准行星齿轮机构的话，为了减少检修间隔，用长效润滑剂填充所述齿轮是有利的。
根据本发明的权利要求1，如果所述涡轮锥在所述锥形头壁上的轴承上运行，使其能够相对固定的外壳旋转是有利的，它的直径不超过所述锥形头的直径，所述锥体是相对所述外壳密封的。
如果在所述固定外壳和旋转涡轮锥之间安装若干径向和轴向轴密封件是特别有利的。用于所述彼此相对固定的结构部件之间的平面密封件是非常有利的。这些密封件可以防止所述流体介质渗透所述空腔，从而保护所述内部设备。
按照本发明的另一种实施方案，特别有利的是用抗腐蚀材料制作涡轮和外壳。
如果所述涡轮锥是用塑料生产的是特别有利的，通过成形工艺在这种早期阶段提供封装所述能量转换元件的机会。
根据本发明的另一种实施方案，如果所述涡轮锥，及其结合的叶片和所述外壳是彼相对固定的，当所述装置被用作流体转换器用于清洁流体介质时非常有利的，以便所述涡轮锥与叶片可被用作入口导流叶片，并且同时将旋转推进器轮整合在涡轮锥和外壳之间。
在这里，如果所述轮机推进器轮的芯径等于但不超过所述涡轮锥的锥形头，如果与它结合的叶片是相对安装的，相对入口导流叶片方向升高是特别有利的。
在本发明的另一种实施方案中，特别有利的是将所述流体转换器外壳设计成空气动力学形式，以便它绕其垂直轴线旋转，这使得可以将所述流体转换器优选用作风能装置。
附图说明
下面将通过实施方案和附图中相应的附图标记对本发明做更详细的说明
附图表示：
图1流体转换器，包括锥体和外壳装置的侧视图；
图2流体转换器侧视图，具有位于所述锥体中的速度转换和能量转换的集成装置，包括插入的环形磁铁；
图3流体转换器侧视图，具有位于所述锥体中的速度转换和能量转换的集成装置，包括所述封装的环形磁铁；
图4流体转换器侧视图，具有速度转换和能量转换的集成装置作为所述外壳中的分组件；
图5流体转换器侧视图，包括所述锥体入口导轮，涡轮和外壳；
图6流体转换器侧视图，包括所述旋转外壳轴；
图7流体转换器后视图，包括窄的外壳座。
具体实施方式
在图1和2所示第一种实施方案中，设计了流体转换器，以便涡轮锥1由锥壳1a和锥端1b组成，在它上面以均匀间隔的偏置排列形式安装若干，优选三个朝向锥端1b逐渐螺旋变细的螺旋形螺旋线1c，该涡轮锥1相对于固定的外壳2可旋转地支承。在涡轮锥1之间设置了若干连接凸缘3，这些凸缘优选由钢制成，外壳2同样是由钢制成。在外壳2的底部具有基板4，优选通过防水焊接方式将其固定在外壳2上，以便将所述外壳固定在所述基板上。涡壳2的垂直底座具有流动楔5，它优选用钢板制成，呈锐角形式固定在外壳2上，优选焊接在外壳2上，所述锐角的走向与该装置接纳的介质流的方向相反。
为了将外壳2稳定在其底座部分，设置了若干薄钢板角板6，优选将它们焊接在外壳2和基板4之间的部件上。可以利用紧固元件7将外壳2固定在所述流体转换器上，以应对所述流体介质的力。在由涡轮锥1和外壳2的内部形成的、相对流体介质密封的空腔内部具有以下部件：可旋转地容纳涡轮锥1的主轴承8；安装在锥壳1a内部由环形磁铁9组成的能量转换装置，它设置在永磁罩10内部，并且与涡轮锥1相连；固定在涡壳2上的线圈芯11；以及从线圈芯11上引出并且穿过所述密封外壳2的电缆12。在朝向锥端1b的线圈芯11的末端，具有固定在所述线圈芯上的轴承轴颈13。反轴承14安装在所述轴颈上，在该实例中优选是免维护滚动轴承。通过主轴承8和反轴承14保证从磁转子9到线圈定子11的轴向-同步运行。
滚动轴承14通过其外座圈固定在轴承箱15上，后者固定在锥壳1a上，位于相对所述旋转轴线的中心线上；作为所述旋转轴承的轴承座的钻孔被钻入轴承箱15，与涡轮锥1的外中心线座1d的轴线同步，主轴承8位于中。
为了使涡轮锥1相对外壳2的旋转关系实现密封，在内置罩16中提供密封包17。所述密封件优选设计成径向和轴向轴端密封环。一方面，将平面密封18插入主轴承8座圈和永磁罩10之间，另一方面，插入主轴承8的轴承座圈和外壳凸缘2b之间。轴密封17和平面密封18保护所述能量转换装置，防止流体介质渗透进入所述空腔。
为了冷却位于其内部的发电机，中央给料管19沿所述轴线排列，优选与所述流体介质相同的冷却剂，从锥端1b流向给料管19，途经轴承轴颈13上的旋转软管接头20，由此吸收在所述线圈芯上产生的热量，然后通过固定的软管接头21流入输出软管22，所述输出软管通过外壳盖2b通向外部。为了保护其表面不被损坏和腐蚀，与所述流体介质接触的涡轮锥1和外壳2的所有表面积都具有涂层。作为替代，还可以用不锈钢实现实施方案1。
在图3所示第二个例子中，所述涡轮锥1通过特殊工艺完全由塑料制成，在此期间，所述磁性环9，反轴承14，和将所述涡轮锥装置固定在主轴承8上的部件已经被封装。因此，可以节省生产所述轴承座期间的某些费用，甚至避免主轴承8和磁铁9之间的另一个平面密封件18。旋转涡轮锥1和固定的轴承轴颈13通过滑环密封23彼此相对密封。
图4所示实施方案的第三个例子，使用一种流体转换器，其外壳2上具有彼此机械连接的转速转换装置24和能量转换装置25。两个装置24和25是用分组件制作的。通过齿轮机构24提取旋转速度，它是通过定心盖26刚性固定在外壳2上的，在该例子中，所述齿轮被设计成紧凑的行星齿轮，填充长效油，因此需要很少的维护，通过固定，优选焊接在涡轮锥1的锥形头1e上的传动套管27，所述传动套管的末端通过盖子28密封，所述盖子是防水焊接在套管27上的。
在本实施例中被设计成水冷同步发电机的发电机25与齿轮机构24连接，以便由所述流体发电机提供的旋转速度在齿轮机构24中转化，并且输送到发电机25。所述转速转换获得的发电机速度接近所述同步速度，因此，提高了所述涡轮的效率。如果所述发电机设计合适，即使没有齿轮机构也可使用该实施方案，也要求保护该设计。发电机25的水冷功能不取决于所述流体介质。因此，可以在发电机25中提供温度控制系统，它能避免任何冷凝水。定心盖26具有滑环密封29，它与轴向轴密封环30和位于传动套管27上的径向轴密封环31组合，保护齿轮机构24和发电机25，防止流体介质渗透进入所述空腔。整个涡轮锥装置与定心盖26以及其上安装的齿轮机构24和发电机25一起被插入外壳2，相对定心凸缘32定心，并且用螺栓33固定。
对于该实施方案例子来说，还可以使用其它发电机，如有或没有齿轮机构的异步发电机和线性发电机。
在图5所示实施方案的第四个例子中，涡轮锥1被刚性固定在外壳2上。在被用作入口导轮的涡轮锥1上，具有涡轮叶轮34，它将所述流动转化成旋转运动。涡轮叶轮34具有若干设置在圆周上的叶片35，它们相对于涡轮锥的叶片逆着上升地安装，其高度水平相当于安装在所述涡轮锥上的叶片的最大高度。不过，叶轮34的芯径不超过锥形头的直径1e。所述涡轮叶轮的旋转运动通过由两个主轴承8组成的轴承系统，传送到外壳2和涡轮锥1的内空腔，所述转速和能量转换装置就安装在这里。利用迷宫式密封36，径向轴密封环37，和滑环密封38密封回转叶轮34和固定的外壳2和涡轮锥1。
在图6所示实施方案的第五个例子中，所述流体转换器还能够绕所述垂直外壳轴旋转，为此，外壳2被设计成圆筒。环承39被安装在上外壳部分2c和下外壳部分2d之间。环承39的内座圈被设计成内环齿轮，由马达40驱动的小齿轮41啮合在它里面，因此使得整个上涡轮部分相对固定的下外壳部分2d运动。如果所述涡轮被用于风能利用，锥体尖端1b朝向正对要接受的风流方向。如果所述涡轮被用于流体介质，如本实施例所述，该旋转点同样应当提供用于密封上外壳部分2c和下外壳部分2d的装置，利用包括若干独立密封件的密封包42密封。
在图7所示的第六个例子中，所述转速和能量转换装置被安装在涡轮锥1和上外壳部分2c的空腔内，并且通过密封防止流体介质进入。下外壳部分2d沿垂直于轴线基板4方向逐渐变细，并用角板6加固。因此，在实施方案的该变形中，可以省略流动楔5。
实施方案的不同例子之间的任意组合都是可行的，因此，要求保护这一的方案。
附图标记
1     涡轮锥
1a    锥壳
1b    锥端
1c    螺旋线
1d    外定心座
1e    锥头
2     外壳，涡轮壳体
2a    安装和检查盖板
2b    外壳凸缘
2c    上外壳部分
2d    下外壳部分
3     连接凸缘
4     基板
5     流动楔
6     薄钢板角板
7     连接元件，螺栓
8     主轴承
9     磁性环，磁力
10    永磁罩
11    线圈芯，线圈定子
12    电缆，电缆
13    轴承轴颈
14    反轴承，减摩轴承
15    轴承壳
16    内置罩
17    密封包，轴密封环
18    平面密封
19    用于水冷的中央给料管，给料导管
20    旋转软管接头
21    固定的软管接头
22    输出软管
23    滑环密封
24    转速转换装置，齿轮机构
24    能量转换装置，发电机
26    定心盖
27    传动套管
28    密封盖
29    滑环密封
30    具有轴向作用的轴密封环，轴向轴密封环
31    具有径向作用的轴密封环，径向轴密封环
32    定心凸缘
33    螺栓
34    涡轮叶轮，叶轮
35    叶片，涡轮叶片
36    迷宫式密封
37    轮机推进器径向轴密封环
38    涡轮叶轮滑环密封
39    环承
40    马达，方位电动机
41    小齿轮
42    环轴承密封包

Claims (20)

1.一种流体转换器，包括通过流体介质使其运动的具有安装在其周围的螺旋形螺旋桨叶片1c的旋转涡轮锥1和固定外壳2，
其特征在于，所述涡轮锥1可以相对于外壳2在锥形头侧旋转地安装并且密封，外壳的直径不超过锥形头1e的直径，以便用于有效转换旋转速度24和转换能量25的装置能够位于由此形成的空腔内，并能有效防止所述流体介质渗透，工作物料可以通过所述流体转换器的结构排放，并且可以转移大的功率。
2.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述能量转换装包括固定在涡轮锥1上并由此由它驱动的磁性转子9，和固定在外壳2上的线圈芯11。
3.如权利要求1和2的流体转换器，
其中，若干磁铁排列在永磁罩10周围，它们组合形成旋转磁性环9。
4.如权利要求1的流体转换器，
其中，在外壳2和涡轮锥1之间密封所需的轴密封环17位于内置罩16中，其直径不超过锥头1e的直径，并且平面密封18位于外壳凸缘2b，永磁罩10，和定心凸缘26之间。
5.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述外壳2的下部具有基板4，对准要接纳的流体的方向具有流动楔5，它们各自固定在外壳2上。
6.如权利要求1和4的流体转换器，
其中，所述涡轮锥1和外壳2的组成部件是由钢铁制成的，并且所述彼此不能相互移动的分组件被焊接在一起。
7.如权利要求1，4和6的流体转换器，
其中，与所述流体介质接触的所有表面积都具备抗腐蚀保护。
8.如权利要求7的流体转换器，
其中，与所述流体介质接触的所有构件可以用不锈钢制作。
9.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述涡轮锥1可以用耐受所述流体介质的塑料制成，并且通过成形工艺制造，其中，所述能量转换元件，优选所述磁性环9被封装。
10.如上述权利要求中任意一项的的流体转换器，
其中，所述位于内部的发电机是通过中央冷却系统冷却的，所述中央冷却系统由中央给料管19和输出软管22组成，它们通过旋转软管接头20和固定的软管接头21与线圈芯11连接。
11.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述转速转换装置24和能量转换装置25由标准化分组件，其中，齿轮机构24被优选设置成需要最少维护的行星齿轮，和发电机25被优选设置成水冷同步发电机的发电机。
12.如权利要求1和11的流体转换器，
其中，所述能量转换装置25被做成异步发动机。
13.如权利要求1和11的流体转换器，
其中，所述能量转换装置25被做成呈环形排列的线性发电机。
14.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述圆柱形外壳2可以分成固定的下外壳部分2d和旋转的上外壳部分1c。
15.如权利要求1和14的流体转换器，
其中，具有内环齿轮的环轴承39被安装在所述下外壳部分2d和上外壳部分2c之间，所述环轴承通过其外座圈刚性地与所述固定部分2d，并且通过其内座圈固定地与所述上外壳部分2c连接。
16.如权利要求1，14和15的流体转换器，
其中，由马达40驱动的小齿轮41接合在所述环轴承39的齿环上。
17.如权利要求1和14的流体转换器，
其中，位于所述下外壳部分2d和上外壳部分2c之间的密封包42阻止所述流体介质渗透进入所述外壳2。
18.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述涡轮锥1和外壳2彼此是相对固定的，并且在它们之间具有涡轮叶轮34，其芯径不超过所述锥头1e直径，并且具有若干设置在圆周上的叶片35，它们与在所述圆锥上的叶片相对上升地安置，其半径长度不超过涡轮锥1的最大直径。
19.如权利要求1和18的流体转换器，
其中，所述旋转叶轮34相对外壳2和涡轮锥1的密封是利用迷宫式密封36，径向轴密封环37，和滑环密封38实现的。
20.如权利要求1的流体转换器，
其中，所述下外壳部分2d可相对上外壳部分2c和基板4沿垂直轴线逐渐变细。
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