CN104254686B - 包括定子、转子、转子的第一磁性轴承支架以及具有旋转元件的第二轴承支架的流体动力涡轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种流体动力涡轮发电机，所述流体动力涡轮发电机包括：定子(12)；转子(14)，所述转子(14)能够在流体流动的带动下围绕旋转轴(X)旋转；以及所述转子(14)的至少一个支撑轴承(20A、20B)，一个或每个所述第一轴承(20A、20B)包括连接到所述定子(12)的磁性定子元件(46A、46B)和连接到所述转子(14)的磁性转子元件(48A、48B)。此外，所述流体动力涡轮发电机还包括所述转子(14)的至少一个第二支撑轴承(22A、22B)，一个或每个所述第二轴承(22A、22B)包括至少一个滚动元件(50)。

Description

包括定子、转子、转子的第一磁性轴承支架以及具有旋转元件 的第二轴承支架的流体动力涡轮发电机

技术领域

本发明涉及一种流体动力涡轮发电机，所述流体动力涡轮发电机包括：

定子，

转子，所述转子能够通过流体流动围绕旋转轴旋转，

所述转子的至少一个第一轴承支架，一个或每个第一轴承包括单组磁性定子元件以及单组磁性转子元件。

背景技术

根据文件US 7,190,087 B2，现有技术中已存在此类流体动力涡轮发电机。所述流体动力涡轮发电机转子的一部分由磁性轴承支撑，所述磁性轴承包括定子磁性元件和转子磁性元件，另一部分由位于转子与定子之间的薄水层支撑。所述定子与转子之间的空间不与水流隔离，相反，在流体动力涡轮发电机的运行过程中，薄水层沿旋转轴的方向流出。

尽管如此，此类流体动力涡轮发电机只能在浸水时运行，这使得制成之后的运行甚至正常运行测试极为复杂。

因此，本发明的目的在于提供一种使操作及正常运行测试更简便的流体动力涡轮发电机。

发明内容

为此，本发明的目标是一种上述流体动力涡轮发电机，其特征在于，所述流体动力涡轮发电机还包括至少所述转子的第二支撑轴承，一个或每个第二轴承包括至少一个滚动元件。

除了本发明的其他优点之外，所述流体动力涡轮发电机包括一个或多个以下特性，这些特性独自出现或者以所有可能的技术组合的形式出现：

一个或每个第二轴承包括多个区段，每个区段包括至少一个滚动元件，各第二轴承的区段围绕旋转轴接续布置，从而形成围绕旋转轴旋转的环形；

每个区段能够独立于一个或多个各自的第二轴承的区段拆除；

一个或每个滚动元件以机械方式连接到一个零件，即所述定子或所述转子，并且抵靠另一个零件，即所述定子或转子，优选情况下，一个或每个滚动元件以机械方式连接到所述定子并且抵靠所述转子；

一个或每个第二轴承适用于支撑所述转子，同时沿着旋转轴的方向以及垂直于所述旋转轴的方向延伸；

一个或每个滚动元件在围绕滚动轴旋转期间是活动的，所述滚动轴布置在与旋转轴平行的纵向平面中，并且所述滚动轴相对于所述旋转轴倾斜；

所述滚动轴与所述旋转轴之间的角度始终大于0°并且始终小于90°，优选地介于30°与60°之间，更优选地约等于45°；

一个或每个滚动元件在围绕滚动轴旋转期间是活动的，所述一个或每个元件呈锥形，并且所述滚动轴与所述旋转轴平行；

所述定子包括有源定子零件并且所述转子包括有源转子零件，大致位于在垂直于旋转轴的径向上与有源定子零件相对的位置，所述有源转子零件能够与所述有源定子零件一起工作，以便在转子围绕旋转轴旋转期间产生磁场，并且至少一个第二轴承以及定子或转子中的一个零件是止动表面，所述止动表面彼此相对并且能够在至少一个滚动元件损坏时彼此接触，以便有源定子零件与有源转子零件之间的空气间隙始终大于最小预定值；

所述流体动力涡轮发电机包括两个第一轴承，所述两个第一轴承根据旋转轴彼此隔开；

所述流体动力涡轮发电机包括两个第二轴承，所述两个第二轴承根据旋转轴彼此隔开；

所述定子包括有源定子零件并且所述转子包括有源转子零件，大致位于垂直于旋转轴的径向上与所述有源定子零件相对的位置，所述有源转子零件能够与所述有源定子零件一起工作，以便在转子围绕旋转轴旋转时产生磁场，并且所述两个第一轴承和/或所述两个第二轴承沿所述旋转轴分别位于所述有源定子零件和有源转子零件的一侧和另一侧上；

一个或每个滚动元件是由以下项构成的群组中的元件：辊子、针和小珠；以及

一个或每个第二轴承包括多个滚动元件，所述多个滚动元件置于至少两个不同的行中，每行大致根据垂直于旋转轴的平面布置。

附图说明

参照附图阅读以下仅用于示例但不提出限制的说明之后，可以了解本发明的这些特性和优点，在附图中：

图1是根据本发明的流体动力涡轮发电机的透视图，所述流体动力涡轮发电机包括定子和转子，

图2是根据图1中的平面II的局部界面透视图，

图3是根据图1中的平面III的局部界面透视图，

图4是图3中的框区的放大图，以及

图5是图1中的流体动力涡轮发电机的转子的支撑轴承的一个区段的极简示意图。

具体实施方式

在图1中，流体动力涡轮发电机10包括：定子12；活动转子14，所述活动转子围绕纵轴X旋转，从后向前定向；流量喷嘴16；以及定子的支架18。

流体动力涡轮发电机10还包括两个第一轴承20A、20B以及两个第二轴承22A、22B，用于支撑转子14，如图2所示。

流体动力涡轮发电机10能够将沿纵轴X在流量喷嘴16内循环的流体流中的动能转换成电能，其中所述流体流使转子14围绕X轴旋转，并且使转子14相对于定子12旋转，从而产生电能。

例如，流体动力涡轮发电机10是用于利用海流中的动能的水下涡轮机。或者，流体动力涡轮发电机用于浸没在水流中，以便将水流中的液压能转换成电能。

定子12呈现围绕纵轴X旋转的环形形状。定子12包括有源定子零件24。

在图2和图3所示的实例中，定子12包括主体25、用于固定流量喷嘴的夹板26以及通向定子内部的可拆卸板28。夹板26通过使用诸如螺钉等附接装置29连接到主体25。

转子14包括内环30、外环32和多个叶片34，所述多个叶片在内环30与外环32之间沿垂直于旋转轴X的径向R延伸，如图1所示。在所述的实施例中，转子14包括八个叶片32，这些叶片以一定角度分布在内环30的外周上。两个相邻叶片34之间的角偏移约等于45°。

转子14还包括有源转子零件36，如图2所示，所述零件布置在外环32的外周上并且能够与有源定子零件24一起工作，以便在转子14在定子12内围绕X轴旋转时产生磁场，并且因此而产生电能。有源转子零件36大致位于径向R上与有源定子零件24相对的位置。

流量喷嘴16包括两个半喷嘴38，这两个半喷嘴38沿纵轴X附接到定子12的两侧上，如图1所示。流量喷嘴16呈现围绕纵轴X旋转的环形形状，所述环形呈现椭圆形的横截面。在沿平行于X轴的纵向平面延伸的截面中，每个半喷嘴38呈U形，所述U形的一端附接到定子的主体25，而U形的另一端通过诸如螺钉等附接件40附接到对应的夹板26，如图2所示。

支架18包括位于地面上的多个支撑销42以及与地面隔开的定子的三个垂直支撑臂44。例如，支架18包括管状支架。

两个第一轴承20A、20B沿旋转轴X彼此隔开。第一轴承20A还称为第一前轴承，而第一轴承20B还称为第一后轴承。

在图2和图3所示的实例中，所述两个第一轴承20A、20B沿旋转轴X位于与有源定子零件24和有源转子零件36相对的位置处。

每个第一轴承20A、20B还包括与定子12相连的磁性定子元件46A、46B以及与转子14相连的磁性转子磁铁48A、48B。形成第一前轴承20A的磁性元件46A、48A也称为前磁性元件，而形成第一后轴承20B的磁性元件46A、46B也称为后磁性元件。

例如，每个第一轴承20A、20B是无源磁性轴承。每个第一轴承20A、20B包括永久磁铁。

两个第二轴承22A、22B沿旋转轴X彼此隔开。第二轴承22A还称为第二前轴承，而第二轴承22B还称为第二后轴承。

在图2和图3所示的实例中，所述两个第二轴承22A、22B沿纵轴X位于与有源定子零件24和有源转子零件36的两侧上。两个第二轴承22A、22B优选地沿纵轴X位于第一轴承20A、20B的两侧上。

每个第二轴承22A、22B包括主体49和多个滚动元件50，这些滚动元件围绕转子14的外周分布并且机械地附接到主体49。此外，多个滚动元件50置于至少另个不同的行中，未图示，每行大致根据垂直于旋转轴X的平面布置。

在上述实施例中，每个第二轴承22A、22B通过使用诸如螺钉等附接装置51附接到定子12，例如，附接到其主体25，如图5所示。附加地或替代地，每个第二轴承22A、22B附接到夹板26。

作为图示的替代，每个第二轴承22A、22B附接到转子14。

每个第二轴承22A、22B包括多个区段52，这些区段接续地布置在纵轴X周围，从而形成围绕纵轴X旋转的环形。每个第二轴承22A、22B的区段52的数量N介于8与64之间。

区段52的数量N优选地是沿径向R的流体动力涡轮发电机10的直径的递增函数，以便限制每个区段52的大小和质量。换言之，流体动力涡轮发电机10的直径越大，数量N越大。

此外，每个第二轴承22A、22B能够支撑转子14，同时沿着旋转轴X的方向以及径向R延伸，即，同时沿轴向和径向延伸。

内环30和外环32各自呈围绕纵轴X旋转的圆柱管的形状。内环30和外环32位于纵轴X的中心。例如，内环30和外环32沿纵轴X的长度大致相等。或者，内环30和外环32沿纵轴X的长度不同。

内环30在垂直于X轴的平面中呈现第一直径D1，而外环32呈现大于第一直径D1的第二直径D2。区段52的数量N优选地是第二直径D2的递增函数。

例如，第一直径D1的值介于2,000mm与8,000mm之间。例如，第二直径D2的值介于4,000mm与18,000mm之间。

每个滚动元件50在围绕滚动轴T旋转期间是活动的，滚动轴T位于平行于纵轴X的纵向平面P中。

在图4所示的示例性实施例中，每个滚动元件50是围绕杆54旋转的活动辊子，所述杆连接到对应第二轴承的主体49。所述辊子呈圆柱形。在未图示的替代变型中，所述辊子呈圆锥形。

在未图示的替代变型中，滚动元件50不包括杆并且固持在外壳中。

在未图示的替代变型中，滚动元件50是针型辊子。

在未图示的替代变型中，滚动元件50是小珠。

滚动元件50优选地由不锈钢等钢材制成。或者，滚动元件50由铝、塑料材料、聚醚醚酮(也称为PEEK)、复合材料或陶瓷制成。

由于每个第二轴承22A、22B能够同时沿旋转轴X和径向R支撑转子14，即同时沿轴向和径向支撑，并且所述滚动元件50呈圆柱形，即圆柱形辊子、圆柱形针或者珠状元件，因此滚动轴T相对于旋转轴X倾斜，如图2到图4所示。滚动轴T与旋转轴X之间的角度θ始终大于0°并且始终小于90°。角度θ的值优选地介于30°与60°之间，更优选地约等于45°。

由于每个第二轴承22A、22B能够同时沿轴向和径向支撑转子14，并且滚动元件50呈圆锥形，即圆锥形辊子或圆锥形针，因此滚动轴T相对于旋转轴X倾斜或者平行于旋转轴X，此时由滚动元件50的圆锥形状来确保轴向支撑。

在图2和图3所示的示例性实例中，每个第二轴承22A、22V连接到定子12，并且每个滚动元件50机械地连接到定子12并且抵靠转子14。在一种变型中，每个第二轴承22A、22B连接到转子14，并且每个滚动元件50随后机械地连接到转子14并且抵靠定子12。

每个区段52包括至少一个滚动元件50，优选地包括两个到八个滚动元件50。在图2所示的示例性实例中，每个区段52包括3个滚动元件50。

此外，每个区段52包括多个滚动元件50，所述多个滚动元件50置于两个不同的行中，未图示，优选地置于两行或三行中。每行大致布置在垂直于旋转轴X的平面中。一行中的每个滚动元件50大体布置为面对旋转轴X中的另一行中的滚动元件。在一种变型中，不同行中的滚动元件50交错布置。

每个区段52能够独立于对应的第二轴承22A、22B的其他区段52拆除。

换言之，在图2所示的实例中，每个区段52能够独立于其他区段52从定子12拆除。作为未图示的替代变型，当每个第二轴承22A、22B附接到转子14时，每个区段52能够独立于其他区段52从转子14拆除。

此外，第二轴承22A、22B和定子12各自呈现止动表面56，所述止动表面56彼此相对，如图5中所示。止动表面56能够在至少一个滚动元件50损坏的情况下彼此接触，以便有源定子零件24与有源转子零件36之间的空气间隙E始终大于最小预定值。

作为未图示的替代变型，当第二元件22A、22B附接到转子14时，第二轴承22A、22B和转子14各自呈现止动表面，所述止动表面彼此相对。类似地，止动表面能够在至少一个滚动元件50损坏的情况下彼此接触，以便空气间隙E始终大于最小预定值。

现在将介绍本发明的流体动力涡轮发电机10的功能。

当将流体动力涡轮发电机10置于水流中时，水流对叶片24施加压力，从而使得转子14沿箭头ROT(如图1所示)围绕纵轴X旋转。初始旋转速度较低，随着水流沿叶片24流动，旋转速度也随之增大。

有源转子零件36于是相对于有源定子零件24活动，从而在定子12中产生磁场并感生电流。之后，将流体动力涡轮发电机10因此而从水流的液压能中产生的电能输送到电力网系统。

流体动力涡轮发电机10允许针对转子14的旋转速度，例如介于20转/分到40转/分之间的旋转速度释放100kW以上的功率。

当转子14围绕纵轴X旋转时，第一轴承20A、20B和第二轴承22A、22B允许沿垂直于纵轴X的径向R支撑并安置转子14。

此外，第二轴承22A、22B允许沿纵轴X支撑并安置转子14。

第一轴承20A、20B和第二轴承22A、22B还在转子14止动时支撑所述转子，无论转子是否浸没。

作为第一轴承20A、20B的补充，即，当流体动力涡轮发电机10未浸没时，第二轴承22A、22B的存在能够增强对转子14的支撑。

此外，第二轴承22A、22B能够通过使用滚动元件50来促使转子14开始旋转，从而普遍提高流体动力涡轮发电机10的性能，无论水流的方向是否沿纵轴X。

此外，当每个滚动元件50的滚动轴T相对于旋转轴X倾斜时，第二轴承22A、22B还用作轴向制动器，以便根据纵轴X安置转子14。

此外，当一个或多个滚动元件50损坏时，止动表面56的存在能够限制转子14的移动，随后，止动表面56彼此接触，以免有源定子零件24与有源转子零件36过于接近。

因此，这可以确保有源定子零件24与有源转子零件36之间的空气间隙E始终大于最小预定值。换言之，止动表面56有助于在一个或多个滚动零件50损坏时避免有源定子零件24和有源转子零件36损坏。

还可以通过能够彼此独立地拆除的区段52促进流体动力涡轮发电机的维护。实际上，如果指定第二轴承22A、22B的滚动元件50磨损或损坏，则只需拆除滚动元件50已磨损或损坏的区段52即可，而无需从指定第二轴承22A、22B拆除其他区段52。之后，可以将包括已磨损或损坏的滚动元件的区段52更换为新的区段52或者对其进行维修。

因此，可以清楚地了解到，根据本发明的流体动力涡轮发电机10能够便于在制成之后进行组装、启动和适当功能测试，同时简化维护过程。

Claims (16)

1.一种流体动力涡轮发电机（10），包括：

定子（12），

转子（14），所述转子（14）处于在流体流动的带动下围绕旋转轴（X）旋转的状态，

其中所述定子（12）包括有源定子零件（24）并且所述转子（14）包括有源转子零件（36），大致位于垂直于所述旋转轴（X）的径向（R）上与所述有源定子零件（24）相对的位置，

所述转子（14）的至少一个第一支撑轴承（20A、20B），一个或每个所述第一支撑轴承（20A、20B）包括固定到所述定子（12）的定子磁性元件（46A、46B）和固定到所述转子（14）的转子磁性元件（48A、48B），

其特征在于，所述流体动力涡轮发电机还包括所述转子（14）的第二支撑轴承（22A、22B），一个或每个所述第二支撑轴承（22A、22B）包括至少一个滚动元件（50）；

其中至少一个第二支撑轴承（22A、22B）以及所述定子（12）或所述转子（14）中的一个零件各自呈现止动表面（56），所述止动表面（56）彼此相对并且能够在至少一个滚动元件（50）损害时彼此接触，以便所述有源定子零件（24）与所述有源转子零件（36）之间的空气间隙（E）始终大于最小预定值。

2.根据权利要求1所述的流体动力涡轮发电机（10），其中一个或每个所述第二支撑轴承（22A、22B）包括多个区段（52），每个区段（52）包括至少一个滚动元件（50），各自的第二支撑轴承（22A、22B）的所述区段（52）围绕所述旋转轴（X）接续布置，从而形成围绕所述旋转轴（X）旋转的环形。

3.根据权利要求2所述的流体动力涡轮发电机（10），其中每个区段（52）能够独立于各自的第二支撑轴承（22A、22B）的所述区段（52）拆除。

4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的流体动力涡轮发电机（10），其中所述一个或每个滚动元件（50）机械连接到所述定子（12）并且抵靠所述转子（14）。

5.根据前述权利要求4所述的流体动力涡轮发电机（10），其中一个或每个所述第二支撑轴承（22A、22B）能够支撑所述转子（14），并且同时沿所述旋转轴（X）的方向以及垂直于所述旋转轴（X）的方向（R）延伸。

6.根据权利要求5所述的流体动力涡轮发电机（10），其中一个或每个所述滚动元件（50）在围绕滚动轴（T）旋转期间是活动的，所述滚动轴（T）布置在与所述旋转轴（X）平行的纵向平面（P）中，并且所述滚动轴（T）相对于所述旋转轴（X）倾斜。

7.根据权利要求6所述的流体动力涡轮发电机（10），其中所述滚动轴（T）与所述旋转轴（X）之间的角度（θ）始终大于0°并且始终小于90°。

8.根据权利要求7所述的流体动力涡轮发电机（10），其中所述滚动轴（T）与所述旋转轴（X）之间的角度（θ）介于30°与60°之间。

9.根据权利要求8所述的流体动力涡轮发电机（10），其中所述滚动轴（T）与所述旋转轴（X）之间的角度（θ）等于45°。

10.根据权利要求5所述的流体动力涡轮发电机（10），其中一个或每个所述滚动元件（50）在围绕滚动轴（T）旋转期间是活动的，所述一个或每个所述滚动元件（50）呈锥形，并且所述滚动轴（T）与所述旋转轴（X）平行。

11.根据权利要求10所述的流体动力涡轮发电机（10），所述有源转子零件（36）能够与所述有源定子零件（24）一起工作，以便在所述转子（14）围绕所述旋转轴（X）旋转时产生磁场。

12.根据权利要求11所述的流体动力涡轮发电机（10），其中所述流体动力涡轮发电机（10）包括两个第一支撑轴承（20A、20B），其中所述两个第一支撑轴承（20A、20B）沿所述旋转轴（X）彼此隔开。

13.根据权利要求12所述的流体动力涡轮发电机（10），其中所述流体动力涡轮发电机（10）包括两个第二支撑轴承（22A、22B），其中所述两个第二支撑轴承（22A、22B）沿所述旋转轴（X）彼此隔开。

14.根据前述权利要求12或13所述的流体动力涡轮发电机（10），

其中所述两个第一支撑轴承（20A、20B）和/或所述两个第二支撑轴承（22A、22B）沿所述旋转轴（X）置于与所述有源定子零件（24）与所述有源转子零件（36）相对的位置处。

15.根据权利要求14所述的流体动力涡轮发电机（10），其中一个或每个所述滚动元件（50）是由以下项构成的群组中的元件：辊子、针和小珠。

16.根据权利要求15所述的流体动力涡轮发电机（10），其中一个或每个所述第二支撑轴承（22A、22B）包括多个滚动元件（50），其中所述多个滚动元件（50）能够沿至少两个不同的行延伸，每行大致根据垂直于所述旋转轴（X）的平面布置。