CN103003563A - 带增强导管的单向水力涡轮、叶片和发电机 - Google Patents

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CN103003563A CN2011800322207A CN201180032220A CN103003563A CN 103003563 A CN103003563 A CN 103003563A CN 2011800322207 A CN2011800322207 A CN 2011800322207A CN 201180032220 A CN201180032220 A CN 201180032220A CN 103003563 A CN103003563 A CN 103003563A
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麦海·C·普拉顿
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Abstract

公开了一种由水流发电的涡轮发电装置,包括一椭圆截面的导管、摄入罩和开孔、后扩散开口和倾斜表面,以优化流动和能量特征。还公开了一单向涡轮发电装置,包括带一个和多个倾斜和/或锥形部分的涡轮叶片,还可选地带有珠状表面特征,以提高涡轮发电机的效率和性能。还公开了带单侧轴流磁发电机的水力涡轮发电机,其包括混合磁力/防磨擦轴向轴承组合。还公开了多个涡轮发电机设置,其包括多个连接到岸上的电力分布系统的单向涡轮发电机。

Description

带增强导管的单向水力涡轮、叶片和发电机
相关申请
本发明要求以前提交的申请日为2010年4月30日、申请号为61/330,268的美国临时申请的优先权,其内容在此引作参考。
技术领域
本发明涉及用于单向水流环境的单向水力涡轮。具体来说,本发明涉及用于单向水流环境的单向水力涡轮,其具有增强的外导管设置、涡轮叶片设计、磁发电机设置和将该涡轮连接到电力分配系统的装置。
背景技术
利用水流发电的水下水力涡轮是现有技术已知的。特别是,水下水力涡轮已经设计为用于单向和双向水流应用,例如河流和海洋的水流和潮汐。由于日益增加的对可持续性发电的需求和将持续性发电的成本降低到传统的非可持续性发电的价格的期望,需要提高水下水力涡轮发电机的效率和性能并降低其投资、操作和维护费用。
授予Davis等人的美国专利7,471,009公开了一种利用水流发电的双向水力涡轮发电机。该专利公开了绕着涡轮的圆柱形壳体或导管,其从任一端接收水流并包括对称的水翼涡轮叶片。该专利还公开了带双侧轴流磁发电机的水力涡轮,用于双向水流应用。一些公开的实施例还包括位于该涡轮两端的导向叶片,以在双向水流应用中将水流导向涡轮叶片。
授予Thompson的美国专利4,025,220公开了一种利用水流发电的单向水力涡轮。该专利公开了一种轴流单向涡轮,其容装在一刚性文丘里型喷嘴内并包括一延伸到该涡轮上游的、柔性织物水流收集导管,以试图在漏斗型收集导管装置中收集水流。
Spooner等人的的欧洲专利申请EP2112370A1公开了一种利用水流发电的水力涡轮发电机,其包括至少一组被动式磁力轴承。在该专利文件中,一组或多组被动式磁力轴承用于通过相对的被动式磁体组的排斥或吸引来支撑涡轮发电机,所述磁体组独立于所述涡轮发电机的部件。
在单向水力涡轮发电机设计上,现有的水力涡轮发电机技术不能令人满意,该单向水力涡轮发电机可以有益地在单向水流环境(例如河流或洋流)中高效、合算地发电。因此,需要一种单向水力涡轮发电机,其提供效率和性能提高的涡轮和发动机部件,用以在严酷的和/或腐蚀性的、淹在水中的操作环境中提供改进的可靠性和使用寿命,或者降低制造、操作和维护的复杂性或费用。
发明内容
本发明的一个目的在于提供克服现有技术一些缺点的涡轮发电机装置。具体而言,本发明的另一个目的在于提供一种克服现有技术一些缺点的、用于单向水流环境的单向水力涡轮装置。
根据本发明的一个实施例,提供一种由水流发电的水力涡轮发电机装置。在该实施例中,该水力涡轮发电机包括:
一转子,该转子包括一毂和多个从所述毂径向向外延伸的水力涡轮叶片;和
一导管,所述导管的入口端和出口端中至少一个剖面为椭圆形;
其中,所述导管出口的横截面面积和所述导管入口的横截面面积之比在1.1或2.1之间。
本发明的一些实施例的另一个目的在于,提供一种高效的、适用于浅的河流以及深的洋流位置的、设计相对简单的、环保的水力涡轮。
本发明的一些实施例的又一个目的在于,提供一种低外形设计,用于在浅水流或水深低的区域高效操作。
根据一些实施例,本发明的又一个目的在于,提供水流增强功能,包括摄入罩和开孔、下游扩散器开口和斜面入口水流增强器,以提高所述涡轮的性能。
根据一实施例,本发明的又一个目的在于,在所述扩散器内表面提供倾斜或喇叭形,这可以改进流动特征,从而提高性能。
根据一些实施例,本发明的又一个目的在于,提供一水力涡轮发电机,其带有结合一个或多个锥形的和/或倾斜的涡轮叶片的增强的涡轮叶片设计。
根据一实施例,本发明的又一个目的在于,提供带一个或多个涡轮叶片的水力涡轮发电机,所述涡轮叶片包括多个珠状表面(beadedsurface)特征,以提高所述涡轮的效率和性能。
根据一实施例,本发明的又一个目的在于,提供包括一单侧轴流磁发电机的水力涡轮发电机,所述单侧轴流磁发电机提供轴向轴承的功能,以支持轴向轴承负载的至少一部分。
根据一实施例,本发明的又一个目的在于,提供包括一轴流磁发电机的水力涡轮发电机,所述轴流磁发电机提供至少一轴向轴承的功能,以支持轴向轴承负载的至少一部分。
根据一实施例,本发明的又一个目的在于,提供包括一角通量磁发电机的水力涡轮发电机,所述角通量磁发电机提供至少一径向和/或轴向轴承的功能,以支持径向和/或轴向轴承负载的至少一部分。
根据一实施例,本发明的又一个目的在于,提供包括一克服现有技术一些缺陷的装置,将本发明的一个或多个单向水力涡轮发电机单元连接到岸边的电力分布系统。
参考附图并结合详细描述,本发明的进一步的优点会更容易理解。
附图说明
现在参考附图描述本发明的装置和方法,附图中:
图1示出了根据本发明的带有扩散器(diffuser)的单向涡轮的俯视剖视图;
图2示出了根据本发明的单向涡轮的扩散器导管弯曲的剖视图;
图3示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和出口的扩散器导管的等轴测视图;
图4示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和出口的扩散器导管的等轴测视图;
图5示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和出口的扩散器导管的侧视图;
图6示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和出口的扩散器导管的俯视图;
图7示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和出口的扩散器导管的后视图;
图8示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和椭圆形出口的扩散器导管的等轴测视图;
图9示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和椭圆形出口的扩散器导管的等轴测视图;
图10示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和椭圆形出口的扩散器导管的侧视图;
图11示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和椭圆形出口的扩散器导管的俯视图;
图12示出了根据本发明的单向涡轮的带有圆形入口和椭圆形出口的扩散器导管的后视图;
图13示出了根据本发明的单向涡轮的带有侧向摄入罩和开孔的扩散器导管的等轴测视图;
图14示出了根据本发明的单向涡轮的带有侧向摄入罩和开孔的扩散器导管的等轴测视图;
图15示出了根据本发明的单向涡轮的带有侧向摄入罩和开孔的扩散器导管的侧视图;
图16示出了根据本发明的单向涡轮的带有侧向摄入罩和开孔的扩散器导管的俯视图;
图17示出了根据本发明的单向涡轮的带有侧向摄入罩和开孔的扩散器导管的后视图;
图18示出了根据本发明的单向涡轮的带有尾部扩散开口的扩散器导管的等轴测视图;
图19示出了根据本发明的单向涡轮的带有尾部扩散开口的扩散器导管的等轴测视图;
图20示出了根据本发明的单向涡轮的带有尾部扩散开口的扩散器导管的侧视图;
图21示出了根据本发明的单向涡轮的带有尾部扩散开口的扩散器导管的俯视图;
图22示出了根据本发明的单向涡轮的带有尾部扩散开口的扩散器导管的后视图;
图23示出了根据本发明的单向涡轮的带有倾斜面的扩散器导管的等轴测视图;
图24示出了根据本发明的单向涡轮的带有倾斜面的扩散器导管的等轴测视图;
图25示出了根据本发明的单向涡轮的带有倾斜面的扩散器导管的侧视图;
图26示出了根据本发明的单向涡轮的带有倾斜面的扩散器导管的俯视图;
图27示出了根据本发明的单向涡轮的带有倾斜面的扩散器导管的后视图;
图28示出了根据本发明的单涡轮发电单元的俯视剖视图,所述单涡轮发电单元在带导管的单向涡轮内带有刚性毂;
图29示出了根据本发明的单涡轮发电机单元的俯视剖视图,所述单涡轮发电单元在带导管的单向涡轮内带有穿过所述毂的纵向孔;
图30示出了根据本发明一个实施例的拱形水力涡轮叶片的立体图;
图31示出了图30所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的俯视图;
图32示出了图30所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的后视图;
图33示出了图30所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的侧视图;
图34示出了根据本发明一个实施例的、带有倾斜的顶部的水力涡轮叶片的立体图;
图35示出了图34所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的俯视图;
图36示出了图34所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的主视图;
图37示出了图34所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的侧视图;
图38示出了根据本发明一个实施例的、包括前倾叶片的水力涡轮发电机的剖视图;
图39示出了根据本发明一个实施例的、包括多个珠状表面特征的拱形涡轮叶片的立体图;
图40示出了图39所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的俯视图;
图41示出了图39所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的后视图;
图42示出了图39所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的侧视图;
图43示出了根据本发明一个实施例的、包括一锥形末端的示例性涡轮叶片的后视图;
图44示出了根据本发明一个实施例的、包括一前偏置顶锥的示例性涡轮叶片的后视图;
图45示出了根据本发明一个实施例的、包括一后偏置顶锥的示例性涡轮叶片的后视图;
图46示出了根据本发明一个实施例的、带有磁发电机和轴承的水力涡轮发电机的剖视示意图;
图47示出了根据本发明一个可选实施例的水力涡轮的防磨擦轴承的剖视图;
图48示出了根据本发明又一个可选实施例的水力涡轮的防磨擦轴承的剖视图;
图49示出了根据本发明一个可选实施例的水力涡轮的流体动力学轴承的剖视图;
图50示出了根据本发明一个实施例的流中(in-stream)水力涡轮发电厂600的示意图;
图51示出了根据本发明一个实施例的流中AC(交流)-并联涡轮发电厂700的示意图。
具体实施方式
参考图1,示出了本发明优选实施例的俯视剖视图。带有扩散器的单向涡轮发电机单元10可以用作单个的涡轮发电机单元10或者和多个涡轮发电机单元10一起使用,通常用在河流环境中,但是该设计可以用于其它环境,例如海下潮汐区域、尾流区域,或者用于风力发电单元中。单元10也可以设置为单向洋流循环或水流涡轮,也可以用于其他的单向自然流动应用中,或者互惠地用于螺旋桨或泵或在涡轮模式和螺旋桨/泵模式操作的系统。涡轮发电单元10的目的在于利用水流高效发电且对环境影响小。该优选实施例对于河流和/或海洋应用进行了优化。可以理解,本发明提供一种高效的发电单元,其带有改进流体力学、发电机、轴承和叶片设计特征,获得适于浅的河流应用和洋流位置且环保的、高效的、不复杂的设计。
所述涡轮发电单元沿中心线有两端,摄入、上游或入口端在一端,流出、下游或出口端在另一端。带一基本上平行于水流100的方向的轴的毂20沿所述涡轮发电机10的中央纵轴设置。毂20在其入口端设有一鼻部21,该鼻部可以有益地成型为任何流体力学的形状。鼻部21可以是尖拱形或者有尖拱形盖,以减少进出导管40的拖曳。一系列导叶(vane)位于涡轮叶片的上游和/或下游并绕毂20径向设置。可以有任何数量的导叶,例如可以根据特定应用的流体力学和结构要求确定。所述中央毂优选包括一所述毂20的内壁限定的纵向孔。所述毂20的内壁可以形成一内径恒定的圆筒。在一可选实施例中,所述毂20的内壁可以聚散,以利用文丘里效应增加水流过所述纵向孔的速度。在一个这样的可选实施例中,所述内壁汇聚在一狭窄的中部,其与所述毂20的内壁朝向所述出口端时的渐变的、喇叭形发散相比在入口端角度更尖或更陡峭。纵向或中央孔的作用是减小所述毂20下游所产生的流体分离,因此增加经涡轮环或流动区域的总质量流量。在一个变化实施例中,没有中央孔,这允许小型的轴承设置。
所述扩散器导管40为一中空的、绕毂20的所述纵轴设置的圆筒,以形成导管并容装一径向朝向的转子。所述导管40可以是内径恒定或汇聚的内径,或者所述内壁可以发散以增加经所述导管40的水流的质量流量。另外,所述导管40在所述摄入端或入口42有一开口并在所述流出端或出口44有一开口。在一特定实施例中,入口42在剖视图中为圆形而出口44为椭圆形,以降低涡轮10在可能较浅处或者在有通行间隙限制的地方(例如河流或海上航道)的高度轮廓,同时将流量和涡轮叶片直径最大化从而最大化电能输出。因此,所述导管的竖直尺寸小于其水平尺寸。或者,所述两端或者前/上游摄入或入口42和后/下游出口44可以是基本上圆形、长椭圆形、斜圆形、椭圆形或者其组合。
在本发明的一个实施例中,导管40的入口42可以限定一入口横截面积,导管40的出口44可以限定一出口横截面积。在该实施例中,导管40的入口横截面积和出口横截面积可以理想地设计,以优化水力涡轮发电机单元10的流体力学效率,这在特定单向水流环境中对优化发电量是有益的,在该环境中可以单独安装或者如发电厂那样安装一组发电机单元10。在这样的实施例中,涉及入口和出口横截面积的设计参数已经确定,并在此公开,其呈现为优化的流体力学流动并因此呈现优化的发电性能。根据本发明的优选实施例,导管40的优化的出口横截面积和入口横截面积之比(Aoutlet/Ainlet)在1.1至2.1之间。上述的出口入口横截面积之比的几何范围可以理想地提供与水流在发电机单元10下游扩散流经发电机单元10相关联的优点,同时避免不理想的大的导管出口设计可能带来的负面效果。因此,上面公开的导管40的Aoutlet/Ainlet几何范围可以理想地提供下列优点中的一个或多个:减小通过导管40施加在所述发电机上的结构负载、减小因导管40的流体力学拖曳、减小导管40的制造、部署和维护/更换费用、减小导管40的整体深度和长带、减小下游紊流的发生,这些还可以理想地减小上游发电机单元对一个或多个下游单元的影响,这些发电机单元设置为发电机阵列或者是发电厂设置,从而提供对单向流体流动资源的优化利用。
因此,导管40的喇叭形开口特征或发散的直径可以由几何关系描述,所述几何关系最大化了该导管的扩散效率。在一个实施例中,入口42在剖视图中为基本上圆形,而出口44为椭圆形。图2示出了导管40的内表面的轮廓,从该导管的喇叭形开口部分到下游或出口边。导管40的设计参数已经确定,在此所公开的呈现优化的流动性能,从而呈现优化的发电性能。在1.5≤α/β≤2.5时导管40呈现优化的性能范围,其中α和β如以下所定义。β是从涡轮10的中央纵轴偏向到穿过两个点的线的夹角,如图2所示,第一点为导管40的喇叭形开口区域的起始点,第二点为在第一点直接下游(沿着的涡轮10的中央纵轴)的点,其位于出口44末端处导管40的内壁上。α是相对涡轮10的所述纵轴偏向到与出口44处的导管内表面的切线的夹角。大致如图2所示,如果α除以β(α/β)小于1.5,提取的能量减小。如果α除以β大于所述范围,流体会分开,产生增加的结构拖曳和增加的紊流,这会影响任意随后的下游的涡轮单元10。上述限定的关系还提供便于制造的优点,从而提供降低的生产费用的优点。
操作时,扩散导管40会产生涡轮提取能量的递增或增加。至关重要的是,导管的形状限定为最大化从给定深度的水提取的能量。因此,扩散管可以如图2-7所示两端均为圆形或者在出口44为椭圆形,以最小化竖直高度并同时如图8-12所示最大化导管40的扩散性能。带椭圆形出口44的扩散导管40可以在深度受限区域获得最大的叶片直径或者长度,其具有提高性能的优点。扩散器40也可以可选地并入一个或多个额外特征,即摄入开孔、尾部扩散开孔和入口流动增强器,它们会进一步提高该导管的性能。
为了实现优化的性能,在一些实施例中导管40的外侧表面上设有整流罩、凹部或摄入罩46。在一优选实施例中,摄入罩46不位于导管40的外表面的顶部/背部或底部/腹部,而是优选地位于侧部表面,以维持用于相对浅的环境或者需要避免对表面和浅的亚表面交通造成撞击的环境中低的竖直轮廓。在这样一个特定实施例中,有两个罩46,位于导管40的每个侧部表面上。每个罩46包括一位于导管40的上游或摄入端的前部开口、封闭的侧部和一顶板,所述顶板逐渐朝着导管40的倾斜汇聚,使得在导管40的尾端或出口端处罩46的顶板邻近导管40的外表面并与导管40的外表面连续。在导管40的侧壁上有一开口或开孔,其优选地基本上类似于罩46的顶板的面积。这些开孔48的优点在于,如图13-17所示,它们提供额外的流动控制而无须增加导管40的整体尺寸。摄入罩46的开口或顶板相对开孔48的相对大小或面积比会因实施例的不同而不同,并可以是任意适当的尺寸,例如可以基于以下一个或多个选取:流体流动速度、涡轮叶片的大小、扩散器导管40的尺寸和涡轮出口42或出口44的大小,所选取的对于特定应用或者特定涡轮位置的要求是有益的。在一个实施例中,技术(例如计算流体力学方法)可以用于确定摄入罩46的开口或顶板和开孔48的适当大小和/或面积比。
在一个优选实施例中,如图18-22所示,尾部扩散开口50设在导管40的上部和下部,也称作顶部和底部。因此,导管40尾部边缘的一部分实际上偏离朝向导管40的前部区域。开口50减少因紧随后扩散器40的尾部边缘的紊流或非层流产生的损失,在一优选实施例中所述尾部边缘为椭圆形导管40的基本上直的部分。因此,开口50可以提高流动扩散、减少尾迹并增大涡轮的功率(图18-22)。在一特定实施例中,开口50可是适当尺寸,使得开口50尽可能减少椭圆形导管40的平的区域,开口50的形状限定为连续轮廓,而无需过分牺牲扩散导管40的结构完整性。
也在一特定实施例中,如图23-27所示,提供了导管40表面的入口流动增强特征54或流通力学轮廓。该特征提供入口42的下边缘,该下边缘伸出到导管40的上边缘前。这种伸出的导管40的下边缘或倾斜面54改进涡轮中的流动并增加整体的效率。通过将流体流动近似于均匀流,倾斜表面54增强流经涡轮10的流体流动。倾斜表面54或铲形口还允许流动逐渐进入涡轮10,从而减弱流动绕涡轮10转向的趋势。
为了用于较小的支撑配置,如图28所示,在一个变化实施例中,毂20可以不设有纵向孔。
在一个优选实施例中,如图29所示,毂20包括一贯穿的纵向孔和两个或多个附在毂20上的涡轮叶片60。
参考图30,示出了根据本发明一个实施例的拱形水力涡轮叶片200的立体图。根据本发明一个实施例,水力涡轮叶片200包括位于接近水力涡轮的毂处、并适于连接到该毂(未示出)的叶片根部201。根据本发明水力涡轮在一个实施例中可以包括二至六个或更多个涡轮叶片,这些叶片可以连接到所述涡轮的毂(未示出)以形成一涡轮转子。在一个实施例中,所述涡轮转子包括三或四个涡轮叶片200。
示例性涡轮叶片200还包括一远离根部201的顶部202。在一实施例中,涡轮叶片200可以沿叶片跨度并入一扭曲,该扭曲在根部201和顶部202之间径向向外延伸。在一个实施例中,可以根据在特定水下水流环境(例如河流或洋流)中应用的适当性并考虑诸如流体流动特性等因素来确定这种径向或顺翼展方向的扭曲,所述流体流动特性可以包括平均速度、速度变化、紊流等。
涡轮叶片200还包括一流体动力学轮廓,例如在叶片根部201所示的流体动力学轮廓,以从流体(例如河流和或海洋水流)流经所述叶片产生提升力。在一个实施例中,叶片200的这种流体动力学轮廓可以包括一拱形轮廓,该拱形轮廓绕所述轮廓的弦不对称。在这样的实施例中,任何适当的拱形轮廓(例如现有技术已知的)可以用于涡轮叶片200。特别地,适当的拱形可以选自已知的拱形轮廓,这些已知的拱形轮廓适于水力涡轮的特定应用,例如根据特定应用中普遍的流体流动条件确定。
参考图31,示出了图30所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的俯视图。在图31中,叶片200的拱形流体动力学轮廓在叶片根部206和叶片顶部207的俯视图的轮廓线中清楚可见。如上所述,在示例性涡轮叶片200中,叶片轮廓包括一径向或顺翼展方向的扭曲,该扭曲在叶片根部206和叶片顶部207之间延伸,根据本发明所述叶片根部邻近并可以连接到水力涡轮的毂,所述叶片顶部位于所述叶片根部的径向远端,这在图31中可以清楚看到。
参考图32,示出了图30所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的后视图。如图32所示,在一个实施例中,水力涡轮叶片还可以包括一顺翼展方向或径向的锥体,该锥体在叶片根部208和叶片顶部209之间延伸。在这样一个实施例中,如图32所示,涡轮叶片200可以理想地在涡轮叶片根部208有较大的弦尺寸(例如弦较宽),而在涡轮叶片顶部209有较小的弦尺寸(例如弦较窄),所述涡轮叶片根部可以位于接近并可以连接到所述水力涡轮的毂,所述涡轮叶片顶部位于叶片根部208的径向远端。
参考图33,示出了图30所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片200的侧视图。如图33所示,根据本发明一个实施例,水力涡轮叶片200还可以包括一顺翼展方向或径向的锥体,该锥体的轮廓厚度位于叶片根部205和叶片顶部210之间。在如图33所示的这样一个实施例中,涡轮叶片200的流体动力学轮廓的厚度在叶片根部205处比在叶片顶部210处大,根据本发明的实施例所述涡轮叶片根部位于接近并可以连接到所述水力涡轮的毂,所述涡轮叶片顶部有相对较小的流体动力学轮廓厚度。
参考图34,示出了根据本发明一个实施例的、带有倾斜的顶部218的水力涡轮叶片211的立体图。根据本发明的一个实施例,水力涡轮叶片211包括一叶片根部219,所述叶片根部适于位于邻近水力涡轮的毂处并适于连接到这样的毂(未示出),以形成涡轮转子,例如包括两个到六个或更多个涡轮叶片211的示例性涡轮转子。在一个实施例中,该涡轮转子可以包括三个或五个涡轮叶片211。
示例性涡轮叶片211还包括一倾斜的顶部218,所述顶部位于根部219的远端。倾斜的顶部218包括叶片211的远端长度的至少一部分,所述远端长度包括叶片211的特别尖的部分。在一个实施例,倾斜的顶部218朝向为相对涡轮叶片211的长度的其余主要部分成二面角。在一特定实施例中,这样的将倾斜的顶部218从涡轮叶片211分开的二面角可以例如是约2至40度之间。
可选地,涡轮叶片211可以并入一沿涡轮叶片211跨度的扭曲,所述扭曲在所述根部219和倾斜的顶部218之间径向向外延伸。类似于上面的描述,在一个实施例中,可以根据在特定水下水流环境(例如河流或洋流)中应用的适当性并考虑诸如流体流动特性等因素来确定这种径向或顺翼展方向的扭曲,所述流体流动特性可以包括平均速度、速度变化、紊流等。也类似于上面的描述,涡轮叶片211还包括一流体动力学轮廓,例如在叶片根部219所示的流体动力学轮廓,以从流体(例如河流和或海洋水流)流经所述叶片产生提升力。在一个实施例中,叶片219的这种流体动力学轮廓可以包括一拱形轮廓,该拱形轮廓绕所述轮廓的弦不对称。在这样的实施例中,任何适当的拱形轮廓(例如现有技术已知的)可以用于涡轮叶片219,例如根据特定应用中普遍的流体流动条件确定。
参考图35,示出了图34所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的俯视图。在图35中,叶片根部215和倾斜的叶片顶部214在剖视图的轮廓线中可以看到叶片211的拱形的流体轮廓。如上面所描述,在一个可选实施例中,涡轮叶片211的叶片轮廓可以包括一顺翼展方向或径向的扭曲,该扭曲在叶片根部215和倾斜的叶片顶部214之间延伸,根据本发明,所述叶片根部邻近并可以连接到水力涡轮的毂,所述叶片顶部位于所述叶片根部的远端并以相对涡轮叶片211的主要部分成二面角或倾角的方式对齐,这可以从图35看出。
参考图36,示出了图34所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的主视图。如图36所示,在一个实施例中,水力涡轮叶片211还可以包括一顺翼展方向或径向的锥体,该锥体在叶片根部217和叶片顶部216之间延伸。在这样一个实施例中,如图32所示,涡轮叶片211可以理想地在涡轮叶片根部217有较大的弦尺寸(例如弦较宽),而在涡轮叶片顶部216有较小的弦尺寸(例如弦较窄),所述涡轮叶片根部可以接近并可以连接到所述水力涡轮的毂,所述涡轮叶片顶部位于叶片根部217的径向远端。另外,在一可选实施例中,叶片顶部216还可以偏置或倾斜朝向叶片211的前缘或后缘,分别形成向前或向后倾斜的叶片211。在一个这样的实施例中,如图36所示,倾斜的叶片顶部216可以相对叶片211成一二面角(例如带向上倾斜),并可以倾斜或偏置朝向涡轮叶片211的前缘(例如带向前的倾斜),并因此称作带向上向前倾斜的顶部216的双倾斜涡轮叶片211。在本发明的一个实施例中,双倾斜涡轮叶片211可以理想地改变流体沿涡轮叶片211的径向流动分布,以提高根据本发明的一个实施例的水力涡轮发电机的涡轮叶片211的性能和/或效率。
图37示出了图34所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片的侧视图。如图37所示,类似于上面的描述,在本发明的一个实施例中,水力涡轮叶片211还可以包括一顺翼展方向或径向的锥体,该锥体的轮廓厚度位于叶片根部213和叶片顶部212之间。在如图37所示的这样一个实施例中,涡轮叶片211的流体动力学轮廓的厚度在叶片根部213处比在叶片顶部212处大,根据本发明的一个实施例所述涡轮叶片根部接近并可以连接到所述水力涡轮的毂,所述涡轮叶片顶部有相对较小的流体动力学轮廓厚度。
图38示出了根据本发明一个实施例的、包括前倾叶片221、222的水力涡轮发电机220的剖视图。水力涡轮发电机220包括一外导管或壳体224和一内毂225,所述内毂包括一穿过所述内毂225轴向延伸的中央孔223,以例如允许流体或海洋生物通过所述内毂225。从图38可以看出,涡轮叶片221和222在根部连接所述内毂225,以提供多叶片水力涡轮转子。另外,在图38所示的实施例中,涡轮叶片221和222以朝向涡轮220的前部或上游侧(即朝向涡轮毂225的上游端)的前倾角连接至涡轮毂225。在这样一个实施例中,在水下水流环境中,在使用涡轮220时,涡轮叶片221和222连接涡轮毂的前倾角可以理想地起到调整沿涡轮叶片221和222的流体径向流动分布的作用,以提高水力涡轮220的涡轮叶片221和222的性能和/或效率。
图39示出了根据本发明一个实施例的、包括多个珠状表面特征233、234的拱形涡轮叶片的立体图。水力涡轮叶片230包括叶片根部232,根据本发明的一个实施例,所述叶片根部设置为位于接近水力涡轮的毂并连接所述毂(未示出),以形成一涡轮转子,例如包括两个到六个或更多个涡轮叶片230的示例性涡轮转子。类似于上述的其他例子,在一个实施例中,水力涡轮转子包括三个或五个涡轮叶片230。
示例性涡轮叶片230还包括一顶部231,所述顶部位于根部232的远端、叶片230的径向最远处。可选地,涡轮叶片230可以沿叶片230的跨度并入一扭曲,该扭曲在根部232和顶部231之间径向向外延伸。类似于上面的描述,在一个实施例中,可以根据在特定水下水流环境(例如河流或洋流)中应用的适当性并考虑诸如流体流动特性等因素来确定这种径向或顺翼展方向的扭曲,所述流体流动特性可以包括平均速度、速度变化、紊流等。
涡轮叶片230还包括一流体动力学轮廓,例如在叶片根部232所示的流体动力学轮廓,以从流体(例如河流和或海洋水流)流经所述叶片产生提升力。如图39所示,在一个实施例中,叶片230的这种流体动力学轮廓可以包括一拱形轮廓,该拱形轮廓绕所述轮廓的弦不对称。另外,在一个实施例中,叶片230的这种流体动力学轮廓可以理想地包括两个或多个珠状表面特征,例如233和234。优选地,所述多个珠状表面特征233和234可以位于流体动力学轮廓的低压或吸入侧,至少一个珠状表面特征233位于朝向流体动力学轮廓的上游或前缘,至少一个珠状表面特征234相对第一特征233位于下游或朝向流体动力学轮廓的后缘。这样,示例性带珠状表面特征的涡轮叶片230的多个珠状表面特征233和234可以在操作时理想地对叶片的低压或吸入侧提供基本上层流流动条件的改进的再附着,以例如在沿涡轮230的弦在更长距离的下游邻近叶片230处维持低压条件。在另一个实施例中,所述多个珠状表面特征233和234还可以理想地在邻近叶片230的低压或吸入侧的流体流中提供降低的紊流,以理想地在叶片230的对侧或高压侧维持相对高压的流体流动,从而在使用时在流动流体环境中提高提升力和/或降低涡轮叶片230的拖曳特性。在一个这样的实施例中,如图39所示,所述多个珠状表面特征233和234可以包括多个弄圆的凸曲线或者从叶片轮廓的低压或吸入侧的突起,并理想地沿涡轮叶片230的基本上整个跨度、从根部232朝向顶部231延伸。在另一个实施例中,所述多个珠状表面特征233和234可以仅沿涡轮叶片230的整个跨度的一部分朝向顶部231延伸。在一个可选实施例中,诸如特征233和234的多个珠状叶片表面特征可以包括任意数量的珠状特征,这在特定操作环境中对改进涡轮叶片的性能可能是理想的。在又一个实施例中,涡轮叶片230可以包括多个位于叶片230的高压侧的珠状表面特征,例如至少一个珠状表面特征朝向流体动力学轮廓的上游或前缘位于叶片230的压力侧上,至少一个珠状表面特征相对第一特征位于相对下游或朝向流体动力学轮廓的后缘。在一个可选实施例中,这些珠状表面特征可以仅仅位于涡轮叶片230的压力侧上,或者根据另一个可选实施例,涡轮叶片230包括在叶片230的高压侧和低压侧上的多个珠状表面特征。
图40示出了图39所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片230的俯视图。在图40中,以俯视图形式从叶片根部236和叶片顶部235的轮廓线可以看出,叶片230的拱形流体动力学轮廓包括多个示例性的珠状表面特征237和238。类似于上面的描述,在一个可选实施例中,叶片230的叶片轮廓可以可选地包括一径向或顺翼展方向的扭曲,该扭曲在叶片根部236和叶片顶部235之间径向延伸,根据本发明,所述叶片根部邻近并可以连接到水力涡轮的毂,所述叶片顶部位于所述叶片根部236的径向远端。在另一个实施例中,叶片230的所述多个珠状表面特征237和238可以理想地沿涡轮叶片230的基本上整个跨度、从根部236到顶部235延伸。
图41示出了图39所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片230的后视图。如图41所示,在一个实施例中,水力涡轮叶片230还可以包括一顺翼展方向或径向的锥体,该锥体在叶片根部240和叶片顶部239之间延伸。在这样一个实施例中,如图41所示,涡轮叶片230可以理想地在涡轮叶片根部240有较大的弦尺寸(例如弦较宽),而在涡轮叶片顶部239有较小的弦尺寸(例如弦较窄),所述涡轮叶片根部可以位于接近并可以连接到所述水力涡轮的毂,所述涡轮叶片顶部位于叶片根部240的径向远端。
图42示出了图39所示的、根据本发明一个实施例的示例性水力涡轮叶片230的侧视图。如图42所示,如上面所描述,根据本发明一个实施例,水力涡轮叶片200还可以包括一顺翼展方向或径向的锥体,该锥体的轮廓厚度位于叶片根部242和叶片顶部241之间。在如图42所示的这样一个实施例中,涡轮叶片230的流体动力学轮廓的厚度在叶片根部242处比在叶片顶部241处大,根据本发明的实施例,所述涡轮叶片根部位于接近并可以连接到所述水力涡轮的毂,所述叶片顶部有相对较小的流体动力学轮廓厚度。
图43示出了根据本发明一个实施例的、包括一锥形末端253的示例性涡轮叶片250的后视图。与上面参考其他实施例描述的、在叶片250的弦长上的、可选的逐渐顺翼展方向的径向锥体相比,涡轮叶片250在锥形末端253处的锥形优选更显著且更局限于叶片末端253的中间区域。特别地,涡轮叶片250的局域化锥形末端253可以理想地在流体流动环境中、水下使用涡轮时、在流体流经涡轮叶片250的末端时起到减少末端漩涡强度的作用。这种在流动流体中末端漩涡的减少可以理想地提高涡轮叶片250的效率,例如通过减少叶片250经过所述流体时受到的拖曳力,并且因此理想地提高涡轮叶片250提取的功率。
图44示出了根据本发明一个实施例的、包括一前偏置尖锥的示例性涡轮叶片251的后视图。涡轮叶片251在锥形尖部255处的尖锥偏置朝向叶片251的前缘257并与叶片251的前缘257成一基本上锐角。类似于上面参考图43所述,与位于根部256和顶部255之间的、在叶片251的弦长上的、可选的逐渐顺翼展方向的径向锥体相比,涡轮叶片251在锥形末端255处的锥形优选更显著且更局限于叶片末端255的中间区域。也类似于上面所述,涡轮叶片251的局域化的、向前偏置的锥形末端255可以理想地在流体流经涡轮叶片251的末端时起到减少末端漩涡强度的作用。
图45示出了根据本发明一个实施例的、包括一后偏置尖锥的示例性涡轮叶片252的后视图。涡轮叶片252在锥形尖部259处的尖锥偏置朝向叶片252的后缘257,所述后缘与所述前缘258相对。因此,向后偏置的锥尖与叶片252的后缘成一基本上锐角。类似于上面参考图43、44所述,与位于根部260和顶部259之间的、在叶片252的弦长上的、可选的逐渐顺翼展方向的径向锥体相比,涡轮叶片252在锥形末端259处的锥形优选更显著且更局限于叶片末端259的中间区域。也类似于上面所述,涡轮叶片252的局域化的、向后偏置的锥形末端259可以理想地在流体流经涡轮叶片252的末端时起到减少末端漩涡强度的作用。
图46示出了根据本发明一个实施例的、带有磁发电机和轴承的水力涡轮发电机300的剖视示意图。水力涡轮发电机300包括一单侧轴流永磁发电机和一外壳或扩散管302,所述扩散管将单向流体流301导向通过涡轮发电机300并经过涡轮叶片310。涡轮叶片310连接到一涡轮转子结构,所述涡轮转子结构包括一外轴承套圈311和多个转子永磁体314,所述转子永磁体优选绕所述涡轮转子的外周基本上均匀分布。转子永磁体314连接一转子铁轭(back-iron)315,所述转子铁轭用于封闭顺序的多个转子永磁体314之间的磁力线。通过中央防磨擦轴承312,所述涡轮转子结构可转动地连接到中央的涡轮毂结构的外轴承套圈311并可以绕中央轴304转动。所述中央的涡轮毂结构也包括多个层压的铁质定子电枢316,所述定子电枢优选绕所述涡轮毂的外周基本上均匀分布。定子电枢316中的每一个包括一发电机定子绕组317,所述绕组优选基本上容装在定子电枢316内。通过任何适当的机械连接303,包括多个定子电枢316的所述涡轮毂结构和静止的内轴承套圈313机械式连接到的所述外壳或扩散管302。在一个实施例中,涡轮叶片310可以包括任何适当的叶片设计,以用于单向流体流动涡轮,例如但不限于上面所述的涡轮叶片。在另一个实施例中,扩散管302可以包括任何适当的导管或壳体设计,以用于单向流体流动涡轮,例如但不限于上面详细描述的导管设计。而且,在一个实施例中,转子铁轭315可以包括层压或浇铸的铁轭组合,例如适于封闭多个转子永磁体314之间的磁力线。
使用时浸入单向流体流动环境中,穿过涡轮发电机300的流体流动301可以转动涡轮转子的叶片310,所述涡轮转子也使转子永磁体314相对定子电枢316转动。通过流体流动301的这种对涡轮叶片310的转动驱动产生轴向叶片推力305,所述推力通过流体流向叶片而施加在涡轮叶片310或涡轮转子结构上,并且所述推力朝向下游方向。转子永磁体314相对定子电枢316和定子绕组317的转动在定子绕组317内产生电动势,其理想地提供在转子磁体314和定子电枢316之间的单个空隙内转化穿过机械支撑系统311-312-313的流体流动301的机械能的手段,并且随后用于在定子绕组发电,以产生电能,所述电能可以从涡轮发电机300通过例如到电源供应和分配网的连接以用于电负荷。所述涡轮发电机300可以理想地用于水下水流环境,其中转子磁体314和定子电刷316之间的空隙在外围流体的冲刷下,例如在河流或海洋环境中的河流和海水,因此在转子/定子发电机间隙并不需要可能昂贵的、容易发生故障的密封设置。
在本发明的一个实施例中,和基本上所有转动机械类似,单向涡轮发电机300在浸入流体流动环境转动使用时会受到各种严峻的负载。涡轮转子轴承311-312-313受到的力和动量传递给涡轮毂和/或支撑结构。所述轴承结构311-312-313优选浸入苛刻的水环境或海洋环境操作,并且可能使用很长时间,例如在维护或更换间隔之间。
图46所示的本发明的轴承结构311-312-313为包含在涡轮毂内的主支撑元件。因此,涡轮转子/毂轴承组合311-312-313必须能够适应下列组合负载:涡轮转子的径向负载309(转子的重量),其由所述支撑组合施加在涡轮转子上的径向力308平衡;由涡轮叶片310和电磁场产生的轴向推力负载305;以及可能的瞬时的扭力负载和倾斜动量。所述轴承组合311-312-313也必须理想地在振动环境操作,其中例如因为流体流动301穿过涡轮发电机300而出现转动、线性加速和振荡。而且,对于涡轮发电机300,所述轴承组合311-312-313的选择和设置优选出于减少摩擦扭矩的目的,因此增加水力涡轮发电机300的整体发电效率。另外,根据本发明的一个方面,发电机300和轴承组合311-312-313的可靠性和延长的寿命也很重要,以维持系统的完整性直至计划的维护或更换完成。
在本发明的一个实施例中,涡轮发电机300理想地包括一混合轴承组合,其中轴承功能的至少一部分由涡轮磁发电系统提供。在一个这样的设置中,涡轮发电机并入一两件式磁性和防磨擦轴承。在一可选实施例中,一第三流体动力学轴承部件也并入涡轮发电机轴承系统。可以理解,在其他实施例中有轴承系统部件的各种组合,其中两个和多个混合轴承系统部件可以接合,以产生一特定的混合轴承组合,以用于实现上述支撑负载部件的一些和全部功能。在又一实施例中,一个轴承部件可以主要依靠的,而并入的另一个轴承部件意在提供额外的和/或备用的轴承功能。
在一个实施例中,涡轮发电机300的转子永磁体314功能是引入涡轮定子(或毂)的定子绕组317中的电势并永久地磁性吸引定子电枢316,从而提供永久的轴向朝向的磁吸引力306,所述磁吸引力相对流体流动301朝向上游方向,从而用于至少部分平衡涡轮叶片310上施加的向下游的轴向推力305。因此,涡轮发电机300的轴承结构311-312-313可以理想地仅需承受涡轮叶片轴向推力305的减少后的部分,所述轴承组合因此仅施加减小后的轴向轴承力307,以完全平衡涡轮操作时所述轴向推力305的大小。在目前的混合磁力/防磨擦轴承设置中,通过轴承组合311-312-313施加的所述轴向轴承力307的大小的这种减小可以理想地导致机械防磨擦轴承组合311-312-313的减小的磨擦和磨损,因此提供效率、使用寿命和/或可靠性提高的轴承系统。而且,转子磁体314和定子电枢316之间的轴向磁吸引轴承力306的大小对于下列变化相对不敏感:涡轮转子的转动速度的变化、流体流动301速度的变化和施加在发电机绕组317的外部电负载的变化。在另一个实施例中,轴向磁吸引轴承力306的大小也可以理想地对于在涡轮转子中的转子磁体314的磁极的顺序或朝向(N-S或S-N等)基本上不敏感。
在另一实施例中,两件式磁力防磨擦轴承系统可以包括一轴流永磁发电机部件和一防磨擦轴承部件。在这样一实施例中,轴流发电机的永磁体转子之间的径向朝向的磁吸引力可以理想地用于提供至少一部分径向轴承力,以支撑涡轮转子的径向重量。在这样的设置中,混合径向磁力轴承和防磨擦轴承系统可以理想地减小整个发电机和混合轴承系统的径向大小,例如理想地可以用于水深受限和流体力学上优选小径向大小的发电机/轴承系统的环境中。
在又一可选实施例中,两件式磁力防磨擦轴承系统可以包括一角通量(angular-flux)永磁发电机部件和一防磨擦轴承部件。在这样一实施例中,角流永磁发电机可以设置使得永磁体转子和发动机的定子元件之间的平面相对水力涡轮发电机的纵轴成一锐角,使得转子和定子元件之间磁吸引力包括轴向和径向分量。因此,这种轴向和径向磁吸引力可以理想地提供轴向和径向轴承力的至少一部分,支撑受轴向和径向负载的涡轮转子。另外,在又一可选实施例中,角流磁发电机相对涡轮发电机的纵轴的角度可以理想地优化,使得所得的发电机的轴向磁吸引力可以几乎抵消涡轮叶片轴向推力。因此,这种设置可以理想地减少机械防磨擦轴承部件在轴向和径向上的摩擦和相关的磨损,因而可以理想地提供效率、使用寿命和/或可靠性提高的两件式磁力防磨擦轴承系统。
图47示出了根据本发明一个可选实施例的水力涡轮的防磨擦轴承的剖视图,其并入了磁力和防磨擦混合轴承功能。在这样一个实施例中,防磨擦轴承401安装在位于涡轮毂410上游部分和下游涡轮毂结构404之间的一个静止的杆408上,并适于例如通过保持螺母或螺栓406和/或保持环402夹住或保持定位。涡轮发电机定子芯411包括定子电枢和绕组并安装在基本上刚性的定子板409上,以提供一基本上刚性的定子盘。涡轮转子永磁体套圈407包括所述转子永磁体并安装在涡轮转子(或涡轮叶片环)405内,其支撑防磨擦轴承401。防磨擦轴承401支撑来自涡轮转子405(其包括涡轮叶片403和转子磁体407的组合)的重量的整个径向负载,其还支撑涡轮叶片403的轴向推力负载的剩余部分,所述剩余部分没有被转子磁体407和定子芯411之间的轴向磁吸引力磁性补偿。
在涡轮发电机单元没有操作时,图47所示的防磨擦轴承401通过涡轮转子磁体407和涡轮定子芯(即定子电枢)411之间的轴向磁吸引力有效地轴向预加载。一旦由于流体流经涡轮叶片403的力而涡轮发电机开始转动,在连续的流中转动操作中,施加在涡轮叶片403上的轴向推力有效地轴向卸载防摩擦轴承401,减小需要被防磨擦轴承401支撑的轴向平衡力。如图47所示的实施例的混合磁力/防磨擦轴承设置在操作时,防磨擦轴承401的这种减小的负载因此可以有益地导致防磨擦轴承401减小的摩擦和磨损,并因此可以理想地提供效率、使用寿命和/或可靠性提高的防磨擦轴承以及最终的水流涡轮发电机。
在图47所示的实施例中,防摩擦轴承401的部件,包括轴承套圈、滚动/滑动轴承元件、轴承罩等,可以在全浸没状态操作,其中这些部件被外围流体媒介淹没,在河流和/或洋流应用中外围流体媒介是淡水和/或海水。因此,在这样的实施例中,淹没的防磨擦轴承401可以理想地不需要或使用流体密封,所述密封例如用来防止外围水或其他流体进入,这是因为这样的流体密封可能昂贵和/或容易发生故障。因此,防磨擦轴承401可以考虑为在这样的淹没条件下无润滑操作。因此,在防磨擦轴承401的设置中可以实施的密封的出现和目的优选限于非接触型密封(例如但不限于迷宫式密封(labyrinth seals)或保护罩),其可以设计为将流体入口“过滤”到轴承,以减少或防止碎片进入防磨擦轴承401,但不阻止流体淹没防磨擦轴承401。在一个实施例中,任何类型的适于长期浸没的可以用作防磨擦轴承401。在一个特定实施例中,防磨擦轴承401可以包括完全陶瓷轴承,其中所有轴承部件包括陶瓷材料,例如但不限于Si3N4。但是,在其他实施例中,也可以使用轴承材料的混合组合,例如陶瓷球和合金和/或带涂层的套圈,用于防磨擦轴承401。
在又一个可选实施例中,涡轮转子组合407(包括转子永磁体)和定子芯411(包括定子电枢)之间的机械空隙可以理想地适当隔开和/或调节,使得产生额外的流体动力学推力,其朝向涡轮叶片的轴向推力的方向。这样的流体动力学推力因此可以理想地减小防磨擦轴承401上的转子磁体的吸引力产生的任何轴向磁负载的大小。在这样一个实施例中,定子芯和定子电枢411可以设计为流体动力学推力垫,涡轮转子405的涡轮转子表面和转子磁体组合407可以设计为流体动力学轴承的流体动力学推力垫圈。另外,在一个可选实施例中,防磨擦轴承保持环402可以设计为弹簧元件,因此允许防磨擦轴承401在操作时响应轴承力在轴向沿轴承杆408排水(displace)。这种轴向排水可以动态变化转子和定子元件407和411之间的空隙,从而提供对可选的流体动力学轴承的轴承支撑能力的调节,并从而允许控制防磨擦轴承401的负载。
图48示出了根据本发明又一个可选实施例的水力涡轮的防磨擦轴承组合的剖视图。图48所示的防磨擦轴承组合代表另一种设置,其中轴承的外套圈包括定子芯411和定子板409并适于保持静止,而轴承的内套圈适于保持转动,所述内套圈包括涡轮叶片403、磁套圈407、转子405、轴408和保持环402。图48所示的防磨擦轴承的所有其他部件基本上如上面参考它们的附图标记所述。
图49示出了根据本发明一个可选实施例的水力涡轮的流体动力学轴承的剖视图,其并入了磁力和防磨擦混合轴承功能。在这样的实施例中,适当的流体膜流体动力学轴承451用于替代前述类似实施例的防磨擦轴承。流体动力学轴承451安装在涡轮毂的上游部分457和下游涡轮毂结构453之间的静止轴之上。在本实施例中,涡轮发电机定子芯458包括定子电枢和绕组并安装在基本上刚性的定子板456上,以提供基本上刚性的定子盘。涡轮转子永磁体套圈455包括多个转子永磁体并安装在涡轮转子(或涡轮叶片环)454内,所述涡轮转子连接到涡轮叶片452并支撑流体动力学轴承451。流体动力学轴承451支撑来自涡轮转子454(其包括涡轮叶片452和转子磁体455的组合)的重量的全部径向负载,它还支撑涡轮叶片452的轴向推力负载余下的部分,所述余下的部分没有被转子磁体455和定子芯458之间的轴向磁吸引力所补偿。涡轮转子454在上游侧受到定子芯和电枢458轴向的限制,并在下游侧受到下游推力板461的限制,所述定子芯和电枢458作为轴向推力垫,所述推力板可以由任何适当的材料制成,例如但不限于防磨擦或低摩擦材料。
在涡轮发电机单元没有操作时,图49所示的流体动力学轴承451通过涡轮转子磁体455和涡轮定子芯(即定子电枢)458之间的轴向磁吸引力有效地轴向预加载。一旦由于流体流经涡轮叶片452的力而涡轮发电机开始转动,在连续的流中转动操作中,施加在涡轮叶片452上的轴向推力有效地轴向卸载流体动力学轴承451,减小需要被流体动力学轴承451支撑的轴向平衡力。如图49所示的实施例的混合流体动力学/防磨擦轴承设置在操作时流体动力学轴承451的这种减小的负载因此可以有益地导致流体动力学轴承451表面、邻近的轴向负载板和垫的表面减小的摩擦和磨损,并因此可以理想地提供效率、使用寿命和/或可靠性提高的流体动力学轴承以及最终的水流涡轮发电机。
在替代实施例中,流体动力学轴承451可以额外包括特征,例如推力表面、流体动力学推力垫和/或挡板表面。而且,涡轮转子454可以可选地至少部分中空或者制成具有浮力,使得任何这样的浮力可以理想地减小转子454的浸入重量,从而减轻流体动力学轴承451支撑的径向力。
图50示出了根据本发明一个实施例的流中水力涡轮发电厂600的示意图。示例性的流中水力涡轮发电厂600包括可以浸入单向流体流动环境604的流中涡轮发电机(例如流中涡轮发电机601和603)阵列602,用于以可变电压、变频信号形式从中提取电能,环境例如是河流和/或单向洋流操作环境604;多个能量转换模组(例如能量转换模组609和618),用于将流中涡轮发电机601和603产生的可变电压、变频信号转化成固定电压、固定频率信号;多个能量传输线(例如能量传输线608和619),将流中涡轮发电机601和603中的每一个连接到不同的能量转换模组609和618,以将前者产生的变压、变频信号传递到后者。能量转换模组609和618将固定电压、固定频率信号供应给电能分布系统,例如电网612。
流中涡轮发电机601和603可以包括任何适当的可浸入的涡轮发电机,其适于在单向流体流动环境中浸入和产生电能并可以操作以以可变电压和变频信号形式从中提取电能。在一个实施例中,尤其如图50所示,流中涡轮发电机601和603中的每一个可以有图46所示的、上面详细描述的水流涡轮发电机300的特殊结构。在这样一个实施例中,流中涡轮发电机601和603的涡轮转子和相应的转子永磁体607的通过流体流动604的转动产生的变压和变频信号通过它们相应的定子发电机绕组605和614输出,细节参见结合附图46所描述。另外,在这样一个实施例中,为了将流中涡轮发电机601和603产生的变压、变频信号传输给相应的能量转化模组618和609,能量传输线608和619中每一个分别连接至电接头615和606,用于将流中涡轮发电机601和603从它们相应的定子发电机绕组605和614连接到能量转换模组618和609相应的涡轮连接侧610和616。
通过中间的能量转化模组618和609,能量传输线608和619作用为将单独的流中涡轮发电机601和603产生的电能(即变压、变频信号)传输给电能分布系统(例如电网612),所述流中涡轮发电机可以浸入流体604的流动主体内,所述电能分布系统位于干燥的岸边区域且通常距离流体604的流动主体一段距离。这样,在用于流中水力动能涡轮发电厂600时,能量传输线608和619部分浸入单向流体流动环境且部分伸出其上。制造能量传输线608和619的适当材料可以选自本领域技术人员熟知的可浸入的线缆材料。
能量转化模组618和609包括多个电元件,例如开关装置、变压器和动力电子设备和/或控制器,它们是将变压和变频信号转化成在它们电网侧611和617的固定电压和固定频率电信号所必须的,以输出到电网612,所述变压和变频信号接收自在它们涡轮侧610和616的流中涡轮发电机601和603。
用于描述流中涡轮发电机601和603的阵列术语“阵列”并不意味着流中涡轮发电机601和603彼此设置的特定顺序。例如,在单向流体流动环境604是河流的情形,流中涡轮发电机601和603可以跨河流宽度从岸边613到另一岸边614隔开设置;或者,流中涡轮601可以相对阵列602的流中涡轮603设置在上游或下游。
流中流体动力涡轮发电厂600的一个示例性应用可以包括适于近岸发电的有益应用。也就是说,在流中涡轮发电机601和603位于单向流体流动环境604(例如海洋)和干燥区域(例如陆地、平台)之间并靠近一边缘(例如海岸线613)并浸入前者的情形,流中涡轮发电机601和603可以和上面讨论的、它自己的单个能量传输线608和619配对。每个流中发电机和能量传输线对可以看作一个模组,该模组可以插入相应的能量转换模组618和609或从中移除,允许阵列602的大小容易地改动,例如但不限于少至两个涡轮发电机到多个涡轮发电机,所述多个涡轮发电机是给定流体流动资源所适合的或所要求的。多个水力涡轮发电机的这种“即插发电”使得流中涡轮发电厂600的设置特别适于离开电网的和偏远的发电和分布应用。
图51示出了根据本发明又一个实施例的流中AC(直流)-并联水力涡轮发电厂700的示意图。示例性的流中水力涡轮发电厂700包括一可以浸入单向流体流动环境704(例如河流和/或单向洋流操作环境)的流中涡轮发电机(例如流中涡轮发电机701和703,以及任何理想和适当数量的额外的涡轮发电机)的阵列702,用于以变压、变频信号的形式从中提取电能;一双向能量转化模组709,其连接到一电力分布系统诸如电网712;和至少一能量传输线(例如能量产生线708),其将并联的流中涡轮发电机701和703中的每一个连接到双向能量转化模组709,用以将涡轮发电机701、703产生的变压和变频电信号传输给能量转化模组709。
使用时,在单向流体流动环境704中为了初始启动流中涡轮发电机701和703进入转动,双向能量转化模组709用于将电网712供应的固定电压和固定频率的能量转化成变压和变频电信号,该电信号初始启动流中涡轮发电机701和703,以因此赋予涡轮发电机的永磁体转子707的初始转动。一旦流中涡轮发电机701和703进入转动,流中涡轮发电机701和703通过它们浸入基本上相同的流体流动704而以基本上相同的转动速度自然操作。在一个实施例中,如果AC-并联发电机阵列702中的一个或多个单个发电机相对阵列中其余的涡轮发电机的共同转动速度加速或减速,所述单个的发电机可以有益地自然与所述其余的涡轮自同步,以重新建立同步的并联AC发电操作。因为流体流动704给予涡轮发电机阵列802的力的、相对弱的特征扭矩对RPM(每分钟转数)的关系,这种自然的自同步可以理想地发生,所述相对弱是相对于其他产生能量的主要发动机和发电机的基本上不变的特征扭矩对RPM的关系来说,所述主要发动机和发电机可能都需要发电机调速器来维持多个发电机之间的同步。而且,在涡轮阵列702在单向流体流动环境操作而单独的涡轮发电单元701和703置于基本上一致的水流环境704时,本实施例中用于AC-并联涡轮发电厂700的示例性涡轮发电机703的设置理想地导致涡轮发电机阵列702的直接的机器操作特征,以提供自然的自同步而无须调速器或其他同步电力电子器件,所述涡轮发电机包括永磁体涡轮转子707,所述永磁体涡轮转子包括多个永磁体和相应的铁轭(其可以理想地作为转子罩)。
在一个实施例中,示例性流中AC-并联涡轮发电厂700可以额外包括多个断路装置,例如设置为在涡轮发电机和能量传输线708之间与流中涡轮发电机701和703的每一个串连的断路器(例如断路器714和716)。如果在操作时,任何一个单个的流中涡轮发电机701或703变得电不平衡或出故障,其可以通过其串连的断路器714或716自动断开,所述断路器理想地监测不平衡或出故障的发电机的能量流量和/或电流不平衡的程度。故障发电机从阵列702的这种断开可以有益地保护其余发电机和其他电力系统部件不受损坏或者其他可能的负面操作效果。
流中AC-并联涡轮发电厂700的设置在下列应用中特别有益:发电厂700的位置距离岸边713足够远,使用单个能量传输线708经济上在情理之中,例如在离岸洋流环境中使用发电机阵列702的情形。在这些情形,发电厂700的设置可以理想地提供用于大型或公用事业规模的涡轮发电厂。发电厂700的设置提供需要很少电力元件的优点,因此可以适于在导电和化学侵蚀环境中使用,例如长期浸入的海洋发电厂。
与用于一些传统发电厂设计的直流(DC)并联涡轮相比,根据本发明的一个实施例的流中AC-并联涡轮发电厂700并不需要使用一些浸入的直流动力电子器件,例如浸入的二极管电桥,所述电子器件长期浸入使用容易出现故障或性能下降,从而有益地减少了与发电厂操作和维护相关的整体成本。
在此描述的示例性实施例并不意在穷举或限制本发明的范围为在此公开的准确形式。它们被选来描述和解释本发明的原理、应用和实际使用,以允许本领域技术人员理解其教导。
可以理解,本领域技术人员根据前述的公开可以改动和修改本发明。因此,本发明的范围由后附的权利请求书来限定。

Claims (22)

1.一种由水流发电的水力涡轮发电装置,所述装置包括:
一转子,所述转子包括一毂和多个从所述毂径向向外延伸的涡轮叶片;和
一导管,所述导管包括一入口端和一出口端、一内表面和一外表面、和一中央纵轴;
其中,α包括在所述涡轮装置的所述中央纵轴和所述导管的所述内表面在所述导管的所述出口端处的切线之间的第一夹角;
β包括在所述涡轮装置的所述中央纵轴和所述导管的喇叭形部分的起始处的第一点和位于所述第一点直接下游的、位于所述导管的所述内表面上在所述导管的所述出口端处的第二点之间的线之间的第二夹角;
其中,α/β之比在1.1到2.1之间。
2.如权利要求1的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述导管的所述入口端剖面基本上为圆形而所述导管的所述出口端剖面基本上为椭圆形。
3.如权利要求1或2的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述导管的竖直尺寸小于所述导管的水平尺寸。
4.如权利要求1-3之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述导管出口端的横截面面积和所述导管入口端的横截面面积之比在1.2到1.6之间。
5.如权利要求1的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述导管的所述入口端和所述出口端中至少一个的横截面为基本上圆形、长椭圆形、斜圆形、椭圆形或者其组合。
6.如权利要求1-5之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述出口端的横截面面积和所述入口端的横截面面积之比在1.5到2.5之间。
7.如权利要求1-6之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述毂包括一由纵向穿过所述毂的至少一内壁表面限定的纵向孔。
8.如权利要求1-7的水力涡轮发电装置,其特征在于,还包括在所述导管侧面上的至少一摄入罩,所述至少一摄入罩限定至少一在所述导管的外表面和内表面之间延伸的摄入孔,使得水流从所述导管的所述外表面导向到所述内表面。
9.如权利要求1-8的水力涡轮发电装置,其特征在于,还包括一在所述导管的所述出口端处朝向所述导管的所述入口端的边缘表面的偏离,使得至少一开口限定在所述导管的所述出口端处所述边缘表面内。
10.如权利要求9的水力涡轮发电装置,其特征在于,包括第一所述开口和第二所述开口,第一所述开口在所述导管的所述出口端处所述边缘表面的顶侧,第二所述开口在所述导管的所述出口端处所述边缘表面的底侧。
11.如权利要求1-10之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述导管在所述出口端有一前表面,所述表面在侧视图中是倾斜的,从所述表面的突出的下部前边缘到所述表面的凹入的上部前边缘倾斜向内朝向所述毂。
12.如权利要求1-11之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述叶片包括至少一沿它们跨度的倾斜部分。
13.如权利要求1-12之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述叶片包括至少两个沿所述叶片的低压侧至少一部分的珠状表面。
14.如权利要求1-13的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述叶片中每一个包括一靠近所述毂的根部和一远离所述毂的顶部,所述叶片在弦厚度和弦长度尺寸中至少一个上从所述根部朝向所述顶部逐渐变细。
15.如权利要求1-14之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述叶片中每一个包括一靠近所述毂的根部和一远离所述毂的顶部,所述叶片包括在所述根部和所述顶部之间沿所述叶片的至少一部分延伸的径向扭曲。
16.如权利要求14的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述锥体偏置朝向所述水力涡轮叶片的前边缘和后边缘中的至少一个。
17.如权利要求1-16之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,还包括一单侧轴流磁发电机,其中所述磁发电机提供一轴向轴承功能,所述轴向轴承功能包括一轴向磁吸引力,所述轴向磁吸引力适于平衡所述水力涡轮发电机的轴向负载的至少一部分。
18.如权利要求17的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述磁发电机的转子和定子之间的间隙可以动态调节并可以操作以动态调节所述轴向磁吸引力。
19.如权利要求1-18之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,所述发电机还可以作为涡轮泵操作。
20.如权利要求1-19的水力涡轮发电装置,其特征在于,还包括一永磁体发电机,其中所述永磁体磁发电机的转子和定子之间的间隙在所述水力涡轮发电机浸入操作时适于被水完全淹没。
21.如权利要求1-20之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,还包括至少一防磨擦轴承,其中所述至少一防磨擦轴承在所述水力涡轮发电机浸入操作时适于被水完全淹没。
22.如权利要求1-21之一的水力涡轮发电装置,其特征在于,还包括一带永磁体转子的单侧轴流磁发电机,其中所述电能包括变压和变频的能量信号,所述发电机还可以工作连接到至少一个其他的这样的发电机和并联的至少一能量转换模组,以将所述变压和变频的能量信号转化处固定电压和固定频率的能量信号。
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