CN105658953B - 用于管道系统的电流生成设备 - Google Patents

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Abstract

一种电流生成设备，用于构成流体，尤其是液体循环管道系统的一部分，所述设备包括一段管道(1)、转子(2)和定子，当流体通过所述设备时转子(2)能够被流体而置于运动，定子被布置成和与所述转子(2)的旋转轴(4)相对的转子边缘相互配合，以便在所述运动时产生电流。所述旋转轴(4)的纵向相对两端(4a、4b)安装在第一和第二支座(5a、5b)上，第一和第二支座(5a、5b)位于转子(2)的旋转面(P1)的两侧并且各自与管道段(1)相连接。所述定子包括位于转子(2)一侧的至少一个环(3a)，尤其包括位于转子(2)两侧的两个环(3a、3b)，每个环(3a、3b)包括回路，该回路当被转子(2)的至少一个磁元件激励时能够产生电流的全部或一部分。

Description

用于管道系统的电流生成设备
技术领域
本发明涉及利用管道或管道系统中流体的流动来生成电流的领域。
具体地说，本发明的目的是一种电流生成设备，所述电流生成设备构成流体(尤其是液体)循环管道系统的一部分。
本发明的另一目涉及一种使得将带有电流生成设备的管道系统工具化的成套元件。
本发明的另一目涉及一种装备了流体循环管道系统的设施，流体在管道系统中循环，所述管道系统包括至少一个利用管道系统中流体的循环来生成电流的设备。
背景技术
在利用可再生能源(例如水)发电的领域，通常是将水从大坝引入直径数米的大管道中，以便驱动管道系统中的涡轮机。这是水电站的常用技术。
在水电站中，有的涡轮机的定子和转子安放在水道的主流中，定子会干扰流体、限制效率。此外，在这种情况下，转子的旋转轴与定子相联接，引起管道系统正中央的密封问题。
另外，也有一些水电站，其管道系统中的转子的旋转轴与所述管道系统以外的定子相联接以用于生成电流。这种情况同样要求装配大量的密封设备。
除了上述问题，这些解决方案也不适合所有管径的管道系统，尤其是不适合为建筑物供给流体的管道系统。
发明内容
本发明的目的是提出一种方案，解决上述弊病的全部或一部分。
为实现该目的，借助一种电流生成设备，用于构成流体，尤其是液体循环管道系统的一部分，所述设备包括一段管道、转子和定子，当流体通过所述设备时转子能够被流体而置于运动，定子被布置成和与所述转子的旋转轴相对的转子边缘相互配合，以便在所述运动时产生电流，所述旋转轴的纵向相对两端安装在第一和第二支座上，第一和第二支座位于转子的旋转面的两侧并且各自与管道段相连接。另外，有利地，定子包括位于转子一侧的至少一个环，尤其是包括位于转子两侧的两个环，并且，每个环包括回路，该回路当被转子的至少一个磁元件激励时能够产生电流的全部或一部分。
所述设备最好包括一个机舱，其中放置转子和定子，管道段包括第一管件和第二管件，分别位于机舱两侧，尤其是第一管件与第二管件之间以及与转子旋转轴之间是同轴的。
根据一种具体实施方式，所述设备包括装配在一起的(最好可拆卸)第一机壳和第二机壳，以便构成机舱，第一机壳包括第一管件，第二机壳包括第二管件。
根据一种实施方式，定子被布置以让一部分流体在通过所述设备时参与冷却所述定子。
根据所述实施方式的一种实例，定子中布置有至少一个通道可以让部分流体在其中通过、循环，从而冷却定子。每个环的回路最好包括至少一个绕组，所述至少一个通道沿所述绕组的绕制轴线方向。
根据所述实施方式的另一实例，定子具有一个外表面，尤其是正对转子，与所述部分流体接触，并可以通过对流进行冷却。
有利地，旋转轴的至少一个纵向端与相应的第一或第二支座接触，与转子旋转面的距离大于或等于转子半径。
根据一种改进方案，第一和/或第二支座包括调节系统，可以调节第一、第二支座的间距，尤其是为了调节转子旋转面在第一、第二支座之间的位置。
根据一种实施方式，第一支座包括一个与转子旋转轴接触的接触面，该接触面由部分球面形成，尤其由嵌在第一支座中的滚珠界定；第二支座包括第二个与转子旋转轴接触的接触面，该接触面由部分球面形成，由嵌在第二支座中的另一个滚珠界定。
例如，第一、第二支座分别具有一个槽，位于第一接触面(第二接触面)与开口之间，可以插入旋转轴的相应部分，每个槽包括两段，第一段为圆柱截面，第二段最好为锥形，从第一段向开口方向扩大。对每个槽而言，旋转轴的相应部分都可以插入所述槽中，并具有与所述槽互补的形状。
根据另一种改进方案，所述设备包括保持系统，用于保持转子旋转面两侧的两个环的间距。例如，保持系统包括连接两环的间隔柱，例如该间隔柱包括两个部分，每个部分与相应的一个环连成一体。
本发明还涉及将用于管道系统工具化的成套元件，包括所述设备，所述设备可拆卸，所述成套元件包括至少两个类型的定子和/或至少两个类型的转子。
本发明还涉及一种装配有流体循环管道系统的设施，流体在管道系统中循环，所述管道系统包括至少一个所述电流生成设备。
附图概述
下文对本发明的具体实施方式的描述将更加清晰地显示出本发明的其它优点和特征，这些具体实施方式参照了附图所示的非限制性实例，附图如下：
-图1是根据本发明一个实施实例的电流生成设备的透视图；
-图2是图1的设备的纵剖视图；
-图3是图1的分解透视图；
-图4是图3的纵剖视图；
-图5是旋转轴支座的一种具体实施方式的详细视图；
-图6是将设备集成到管道系统中的实例；
-图7是图1的横剖视图，根据一种具体实施方式，可以固定定子两环之间的距离；
-图8是根据一种具体实施方式的定子环的局部视图。
具体实施方式
下文中描述的电流生成设备与当前技术的区别在于其结构，尤其是转子与定子的相对位置，具体来说关于转子旋转轴的保持。
图1至4描绘了一种电流生成设备，该电流生成设备构成流体循环管道系统的一部分。流体，尤其是液体，更具体地说是水。当然，其它任何能驱动转子旋转的流体种类都可采用。
“流体循环管道系统”的意思是，例如用于远程输送或分配流体的一整套管道。
流体在管道系统中的流动通常是受限制的，例如由泵限制。
所述设备包括一段管道1和一个转子2，流体通过所述设备时，具体说是通过管道段1时可以驱动转子2。通常，流体沿箭头F1所示流向穿过所述设备。
所述设备的定子可以与转子2的端部(与所述转子2的旋转轴4相对)相互配合，在所述运动过程中产生电流。换句话说，所述设备包括转子2的旋转面P1(与图2、图4的图平面垂直)。旋转面P1定义为转子2旋转时其圆周所在平面。当流体通过所述设备时，其流动方向与转子的旋转面相交，最好与转子旋转面垂直。
于是转子2相当于场磁铁，而定子相当于电枢。转子/定子的关系最好是轴磁流类型。
从上文可知，当转子2包含螺旋桨时，在螺旋桨的大直径点处，定子与转子2的边缘相互配合。在轴磁流的情况下，定子最好包括一些部件或环位于螺旋桨的两侧；或者，在辐磁流的情况下，定子最好包括位于螺旋桨的延伸部分上的一个部分。
根据这种结构，定子可以位于所述设备中央主流之外，不会象当前技术那样导致流体的压头损失。此外，此处转子2的旋转轴4不用于为了生成电流而与定子进行机械连接，因此转子2就不会由于这种连接而被定子减速。另外的优点是，电流生成区(定子与转子的相互作用区域)不在管道段1的延伸部分上，因此定子不会阻碍流体通过。
此外，旋转轴4的纵向两端4a、4b(见图4)安装在第一、第二支座5a、5b上，第一、第二支座5a、5b位于转子2的旋转面P1的两侧，分别与管道段1相连。这样可以最大限度地将转子2的旋转面P1定位，以避免在流体穿过所述设备发生扰动的情况下转子2碰及定子。通常，第一、第二支座5a、5b可以分别通过至少一个机械连接机构5c与管道段1相连，该机械连接机构5c一端直接固定在相应支座5a、5b上，另一端固定在管道段1(具体说是与管道段的内表面)上，该机械连接机构5c可以是杆或拉索。
转子的旋转轴4最好相对于转子2的其它部分固定。此外，旋转轴4可以由第一、第二支座5a、5b对其相对两端4a、4b进行约束，以便阻止转子2沿旋转轴4方向平移。
所述设备最好包括一个机舱6，在其中安放转子2和定子。管道段1包括位于机舱两侧的第一管件1a和第二管件1b。要注意的是，第一管件和第二管件1a、1b之间以及与转子2的旋转轴4之间是同轴的。这一特殊定位可以保证转子2在所述设备中更好地保持位置，因为流体流动引起的扰动将被降到最低限度。现在可以知道，当流体穿过所述设备时，会连续通过第一管件1a、机舱6(在此驱动转子2)，最后通过第二管件1b。机舱6外部形成一个环状凸出结构，将第一管件1a与第二管件1b分开。其优点在于，定子安放在该环状凸出结构之内，使得定子不会阻碍流体通过机舱6，机舱6位于所述第一管件1a与第二管件1b之间。
仍然是出于希望保持转子的旋转面P1的位置，旋转轴4的至少一个纵向端点(与相应的第一或第二支座5a、5b接触)与转子2的旋转面的距离最好大于或等于转子2的半径。尽管这种布置是优先采用的，也可以让所述设备在实施中使所述距离小于转子2的半径。旋转轴4的纵向两相对端点4a、4b(分别与第一、第二支座5a、5b接触)各自与转子2的旋转面P1的距离最好都大于或等于转子2的半径。如上文所述，这两个纵向相对端点4a、4b最好在第一、第二支座5a、5b之间受到约束。
从上文可知，第一、第二支座5a、5b可以在转子2的定位，具体地说是对其旋转面P1定位中发挥作用。从这个意义上说，优点在于能调整转子的旋转面的位置，或者能消除支座5a、5b的分离间距的制造余量，以便阻止旋转轴4的平移，从而阻止旋转面P1的平移(具体说是用于约束旋转轴4以避免其纵向平移的两支座5a、5b的接触面的分离距离的制造余量)。因此，如图5所示，第一支座5a和/或第二支座可以包括一个调节系统7，用于调节第一、第二支座5a、5b的距离，就是为了调节转子2的旋转面P1在第一、第二支座5a、5b之间的位置。例如，该调节系统7可以包括调节机构8，能沿所述旋转轴4方向平移与旋转轴4的纵向端点4a相关的支座5a的接触面9。事实上，调节机构8和相关支座5a的一个部件10可以各自带有螺纹，螺纹相互配套，可以把调节机构8在支座5a的部件10上旋进和/或旋出。刚才所述内容同样适用于第一支座5a或第二支座5b。此外，为了尽可能精细地调节旋转面的位置，最好第一、第二支座5a、5b都带有这样的调节系统7(尤其是考虑到旋转轴4的纵向相对两端点4a、4b的间距是固定的)。
通常，第一支座5a可以包括一个与转子2的旋转轴4接触的接触面，该接触面由部分球面构成，具体说由嵌在第一支座5a上的滚珠11a(图4)界定。第二支座5b可以包括一个与转子2的旋转轴4接触的第二接触面，该接触面由部分球面构成，具体说由嵌在第二支座5b上的另一个滚珠11b(图4)界定。采用这种表面的优点在于限制旋转轴4与支座5a、5b之间的接触表面，以便限制转子2的旋转阻力。于是可以得知，旋转轴4的纵向平移被第一、第二支座5a、5b阻止，具体说是被第一、第二表面阻止，同时当流体运动时又可以旋转。与调节系统一起，要调节的间距就是第一、第二接触面的间距。
第一、第二支座5a、5b最好各自包括一个槽，该槽位于第一接触面(第二接触面)与相应开口之间，可以插入旋转轴4的相应部分。每个槽(图4)包括一个圆柱截面的第一段12a，从相应接触面开始延伸，以及一个最好为锥形的第二段12b，从第一段12a开始向开口扩展。旋转轴4的相应部分最好插在槽中并且形状与所述槽相匹配。更详细地说，环13(材料最好是黄铜)环绕旋转轴4的与圆柱段相匹配的圆柱部分。该环13最好固定在相应支座上。环13的作用是减小摩擦，省却涂润滑油。环13由不生锈的材料制成，最好与流体不发生反应。第二段12b则利用其形状在安装所述设备时使旋转轴4的插入更加容易。
如图6所示，第一管件1a被配置以与流体流向F1上游的管道段14a固定，第二管件1b被配置以与流体流向F1下游的管道段14b固定。根据图6的实例，第一管件1a被配置成与上游管道段14a套接，第二管件1b包括一个凸缘15a，被配置与下游管道段14b的相应凸缘15b相配合，通过压紧连接。当然该具体实例不是限制性的，例如固定方式可以反过来，第一、第二管件1a、1b可以分别与上游管道段14a和下游管道段14b采用套接或压紧连接。
根据图1至4所示的具体实施方式，所述设备包括组装在一起(可拆卸)的第一、第二机壳16a、16b，以便构成机舱6。第一机壳16a包括第一管件1a，第二机壳16b包括第二管件1b。这些机壳便于装配所述设备，在电流生成设备出现故障时可以方便检修。事实上，拆卸后可以更换转子2和/或定子。例如每个机壳16a、16b都包括一个槽型，可以容纳定子的一部分。
例如，机壳16a、16b的组装密封由密封圈17(见图2至图4)实现，具体说就是一个位于两机壳16a、16b之间的O形圈。两机壳16a、16b的组装固定则采用螺栓18(见图2至图4)，将机壳16a、16b面对面压紧。该密封圈17还可以保证机舱的密封，尽管连接到定子的电缆30(见图2至图3)从此处输出所生成电流。
根据一种具体实施方式，定子包括至少一个环3a，最好位于转子2的一侧，通常包括两个环3a、3b，位于转子2的两侧。当两个环3a、3b位于转子2的旋转面的两侧时，所述电流生成设备称为轴磁流式的(另一种型式为：一个环环绕转子，以便构成辐磁流式电流生成设备)。环3a、3b每个都包括一个回路，被转子2的至少一个磁元件激励时可以产生全部或部分电流(如果只有一个环就是全部电流，如果有两个环就是部分电流)。每个回路可以包括多个串联绕组，或者每个回路由串联的平面绕组构成。如图2至图4，两个环3a、3b位于机舱6中(具体说是分别位于第一机壳16a、第二机壳16b中形成的相应槽型中)。环的内径最好大于管道段的直径，此外，两环3a、3b最好与管道段1同轴(具体说是与第一管件1a和第二管件1b同轴)，以避免阻碍机舱6内流体通过。
根据转子2的一种具体实施方式(见图2至图4)，转子2可以包括一个转动环19，上面带有至少一个磁元件19a或多个磁元件19a。事实上，当转子包括一个螺旋桨，螺旋桨带有多个叶片20(见图2至图4)时，叶片20都一端连接在螺旋桨的毂21上，另一端连接在所述环19上。螺旋桨的毂21安装在旋转轴4上(与之共同运动，旋转轴4的旋转驱动毂21转动，从而驱动转子2的其余部分转动)。于是环19界定了转子2旋转的圆周。
两环3a、3b之间以及相对于转子2的位置还可以提高电流生成设备的效率。为此目的，所述设备可以包括一个间距保持系统，用于保持位于转子2旋转面P1两侧的两环3a、3b的间距。
具体来说，如图7所示，间距保持系统22包括一个间隔柱，连接两个环3a、3b。具体来说，间隔柱由从环3a伸出的第一凸边23a和从环3b伸出的第二凸边23b构成。当第一、第二凸边23a、23b的自由端接触时，间隔柱就形成了。换句话说，间隔柱可以由两个部分构成，每个部分与相应环成为一体。
定子最好不包括用于引导由转子2感应出的磁流的铁磁元件。这样可以使得所述设备更紧凑，更易于冷却。当所述设备是轴流式的时这样更具优势。
当需要校正转子磁场时铁磁元件具有优势，但会在定子与转子之间引起粘附效应。因此，对于粘附效应不成为问题的配置形式(例如转子与定子是辐流式关系)或粘附效应可以避免的情况，所述设备可以包括一个或多个铁磁元件，对转子磁场起作用，以便引导转子磁场。铁磁元件可以由树脂覆盖以避免被流体氧化。
从上文可知，电流由定子与转子的相互作用产生，具体地说是由转子所带的一个或多个磁铁发出的旋转磁场与定子环的一个或多个回路之间的相互作用产生的。这种相互作用能导致定子发热，降低生成电流的效率。因此需要解决定子的冷却问题。解决方案是：部分流体在通过所述设备时参与冷却所述定子。事实上，当流体通过第一管件1a到达机舱6时，流体的大部分穿过转子2和定子以便到达第二管件1b，而流体的一小部分会充满机舱6，以便与定子及转子2的端点相接触。
根据定子冷却的第一种实施方式，如图7、图8所示，定子中安置至少一个通道24，以便于流体部分穿过所述通道24进行循环，从而冷却定子。具体地说，每个环3a、3b都包括至少一个绕组25，所述至少一个通道24沿所述绕组25的绕制轴线构成。每个环3a、3b都包括串联的多个绕组25，多个绕组25的全部或部分与一个通道24相关联，该通道24参与冷却相关绕组25。所述设备最好包括一个分流管26(见图7)，可以从机舱6上游抽取部分流体用于冷却定子，并将所述部分流体分配在定子3a上，例如直接通过通道24或沿定子的外表面。转子2下游同样处理，如图7所示。
根据定子冷却的第二种实施方式，定子具有一个外表面，与转子2正对，与所述流体部分接触，可以通过对流进行冷却。事实上，在这种情况下，回路只可以用环氧漆或聚氨酯漆简单覆盖就可以保证回路与流体电绝缘。更一般地说，每个回路都可以用电绝缘材料覆盖，要注意的是覆盖层的对流热阻要适合所希望达到的冷却效果。
当然第一、第二冷却实施方式可以组合使用。
根据本发明的另一目的，在于用于使管道系统工具化的成套元件，该成套元件包括上文所述任何实施方式/变型的设备。在这种情况下该设备是可拆卸的，所述成套元件包括至少两种类型的定子和/或至少两种类型的转子。于是安装人员就能很方便地根据所用流体的类型和/或流体在管道系统中的流速来选择所述设备的准确配置，以便最大限度地提升利用流体流动来生成电流的效率。
通常，所述设备最适用于直径在50mm至2000mm之间的管道系统。
此外，转子上游管道段入口处的流体流速通常小于6m/s，最好介于0至2.5m/s之间。
根据本发明的另一目的，一种装配有流体循环管道系统的设施，流体在管道系统中循环，所述管道系统包括至少一个所述电流生成设备。因此，电流生成设备中流体的循环可以通过驱动转子旋转来产生所述电流。
更具体地说，所述设备被配置以适用于供水网。供水网包括管道系统，可以在至少两点之间引水及配水给用户。换句话说，包含所述电流生成设备的设施不需要大坝一类设施中那么高压力的水柱。因此，上述设施可以是配水设施，例如城市配水网。
此外，根据综合上述内容的一种实施方式，在流体来自供水网的情况下，所述电流生成设备的转子因此被配置使得其与供水网中流动的流体(也就是水)的相互作用足以驱动其旋转并产生所述电流。
通常，所生成的电流可以并入电网。
不难理解，这种设备的优点在于可以用于在缺电地区为配水网沿线的给定点供电。

Claims (21)

1.一种电流生成设备，用于构成流体循环管道系统的一部分，所述设备包括管道段(1)、转子(2)和定子，当流体通过所述设备时转子(2)能够被流体置于运动，定子被布置成和与所述转子(2)的旋转轴(4)相对的转子(2)的边缘相互配合，以便在所述运动时产生电流，所述旋转轴(4)的纵向相对两端(4a、4b)安装在第一和第二支座(5a、5b)上，第一和第二支座(5a、5b)位于转子(2)的旋转面(P1)的两侧并且各自与管道段(1)相连接，所述设备的特征在于：转子和定子的关系是轴磁流类型的，定子包括位于转子(2)两侧的两个环(3a、3b)，以及每个环(3a、3b)包括回路，该回路当被转子(2)的至少一个磁元件激励时能够产生电流的全部或一部分，定子不包括任何用于引导由转子(2)感应出的磁流的铁磁元件，第一支座(5a)和/或第二支座(5b)包括调节系统(7)，用于调节第一、第二支座(5a、5b)的间距。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于包括一个机舱(6)，在机舱(6)中安放转子(2)和定子，管道段(1)包括位于机舱(6)两侧的第一管件(1a)和第二管件(1b)。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于包括彼此组装在一起的第一、第二机壳(16a、16b)，以便构成机舱(6)，第一机壳(16a)包括第一管件(1a)，第二机壳(16b)包括第二管件(1b)。
4.根据上述权利要求之一所述的设备，其特征在于：定子被布置为以使得部分流体当在所述设备中通过时参与冷却所述定子。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：至少一个通道(24)被布置在定子中，以便通过使部分流体穿过所述通道(24)进行循环来冷却定子。
6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于：每个环(3a、3b)的回路包括至少一个绕组(25)，所述至少一个通道(24)沿所述绕组(25)的绕制轴线方向。
7.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：定子具有一个外表面与所述部分流体接触并使得通过对流进行冷却。
8.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：与相应第一、第二支座(5a、5b)接触的至少一个旋转轴(4)纵向端与转子(2)的旋转面(P1)的距离大于或等于转子(2)的半径。
9.根据权利要求4所述的设备，其特征在于：第一支座(5a)包括与转子(2)的旋转轴(4)接触的由部分球面形成的接触面；以及第二支座(5b)包括与转子(2)的旋转轴(4)接触的由部分球面形成的第二接触面。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：第一、第二支座(5a、5b)各自包括一个槽，该槽在第一接触面和相关开口、以及第二接触面和相关开口之间延伸，使得能够插入旋转轴(4)的相应部分；每个槽包括圆柱截面的第一段(12a)和锥形的第二段(12b)，第二段(12b)从第一段(12a)开始向开口方向扩大；其特征还在于：对每个槽而言，旋转轴(4)的所述相应部分被容纳在所述槽中并且形状与所述槽互补。
11.根据权利要求4所述的设备，其特征在于包括保持系统(22)，用于保持转子(2)的旋转面(P1)两侧的两个环(3a、3b)的间距。
12.根据权利要求11所述的设备，其特征在于：保持系统(22)包括连接两环(3a、3b)的间隔柱(23)。
13.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：所述流体为液体。
14.根据权利要求1所述的设备，其特征在于：用于调节第一、第二支座(5a、5b)的间距的调节系统(7)调节转子(2)的旋转面(P1)在第一、第二支座(5a、5b)之间的位置。
15.根据权利要求2所述的设备，其特征在于：第一管件和第二管件(1a、1b)之间以及与转子(2)的旋转轴(4)之间是同轴的。
16.根据权利要求7所述的设备，其特征在于：所述外表面与转子(2)正对布置。
17.根据权利要求9所述的设备，其特征在于：第一支座(5a)的接触面由嵌在第一支座(5a)上的滚珠(11a)界定；以及第二支座的第二接触面由嵌在第二支座(5b)上的另一个滚珠(11b)界定。
18.根据权利要求12所述的设备，其特征在于：所述间隔柱包括两个部分，每个部分与相应的环(3a、3b)连成一体。
19.根据权利要求3所述的设备，其特征在于所述第一、第二机壳(16a、16b)以能拆卸的方式彼此组装在一起。
20.一种用于工具化管道系统的成套元件，包括根据上述权利要求之一所述的设备，所述设备能拆卸，所述成套元件包括至少两种类型的定子和/或至少两种类型的转子。
21.一种装配有流体循环管道系统的设施，流体在管道系统中循环，其特征在于：所述管道系统包括至少一个根据权利要求1至19之一所述的电流生成设备。
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