CN105793558A - 管道内涡轮和水力发电系统 - Google Patents

Abstract

一种利用流经管道的流体来发电的系统(1)。系统包含一个在管道内安装系统的固定装置。系统包含延伸轴(4)和涡轮转子(6)，当管道内流体作用在涡轮转子(6)上时，转子可以沿着轴(4)的延伸轴线转动。系统还包含一个发电机装置，第一部分包含至少一个磁铁(12)，第二部分包含至少一个线圈(14)。发电机装置的一部分安装在涡轮转子(6)上，另一部分安装在靠近涡轮转子(6)的定子元件(13)上。系统还包含一个外壳(3)，至少部分覆盖了涡轮转子(6)、轴(4)和发电机装置。外壳(3)包含两部分(24、25)，它们以可拆卸方式连接到一起，所以外壳(3)的两部分(24、25)至少可以部分彼此分离，从而允许访问涡轮转子(6)和发电系统。

Description

管道内涡轮和水力发电系统

技术领域

本发明涉及一种发电系统，具体涉及一种利用液体水头的势能产生电能的发电系统。

背景技术

随着地球化石能源的即将枯竭，对可再生能源的能源需求不断增加。此外，人们希望能够利用清洁能源发电，对全球变暖不会产生影响。

水力发电是一种常见的利用可再生能源的方式，通过利用液体(比如水)水头发电。一般的水力发电系统要求在水源(比如河流)高处建造大坝，产生储存势能的水头。管道从大坝通往较低的位置。涡轮发电机安装在管道末端，从高处泄放的水流经涡轮发电机。水驱动涡轮，然后涡轮驱动发电机产生电力。

坝式水力发电装置的问题是大坝造成的洪水对当地环境有着负面影响。洪水破坏自然地貌，使居住在附近的人们流离失所。

为了避免坝式水力发电的相关问题，一种替代装置利用管道将水从高处虹吸至低处。涡轮安装在管道内，由流经管道的水驱动。

在需要时，可以使用分流堰将水通过管道送至涡轮。

除了上述方法之外，涡轮安装的其他方法还包括使用模块框架。

虹吸式水力发电装置更加常用于小型或微型水力发电，其用于发电的水头通常小于坝式水力发电装置。在虹吸式水力发电装置中，管道可能安装在瀑布、河流、运河或溪流附近，具有天然存在的水头。管道沿着既有水流输送，将对环境的影响降到最低。

虹吸式水力发电装置的问题之一是，需要从管道移除涡轮才能维修。该操作可能会比较困难和代价高昂，因为涡轮机通常安装在难以接近的陡坡上的管道内部。另一个问题是往往难于对发电进行优化，因为常见的涡轮机的效率会随着驱动它的水流流速的改变而变化。

发明内容

本发明旨在提供一种改善的发电系统。

发明目的：

本发明的一些目的如下(此处至少一个实施例满足目的)：

本发明的一个目的是提供一种简单、紧凑、模块化的涡轮机和产生良好能效的势能水力发电系统。

本发明的一个目的是提供一种管道内涡轮和可以适应多种水利条件和水头高度的水力发电系统。

本发明的另一个目的是提供一种利用(包括但不限于)运河瀑布、河流项目、水电站尾流、现有的管道和ETP/STP泄水产生的势能来发电的高效、单向水力发电涡轮机。

本发明的再一个目的是提供一种单向的管道内涡轮机和水力发电系统，只有一个运动部件—转子，因此便于维护和安装系统，无需任何专门设备。

本发明的另一目的是提供一种势能水力涡轮发电机，带有一只或多只涡轮叶片，以提升涡轮发电机的效率和性能。

本发明的另一目的是提供多级涡轮发电装置，包含多个单向涡轮发电机，连接于陆上和/或离岸配电系统。

本发明的另一个目的是提供一种便于安装和维护的轻型水力发电装置，采用的结构材料为金属、非金属，优选使用复合材料，具体是纤维增强塑料(即FRP)或玻璃强化塑料(即GRP)，令其能够防腐且适用于任何发电流体。

本发明的另一目的是提供一种管道内涡轮机，其安装可以优选使用虹吸和/或开放渠道方法发电，适用于多种水头高度且结构最小。

本发明的其他目的是提供一种多级涡轮发电装置，在水流中进行串联或并联。在高水头应用下，优选串联安装以利用可用的水头。涡轮机适用于在高、中、低和超低水头下工作(从1米至200米)。

本发明的其他目的是提供一种多级涡轮发电装置的旁路系统，确保在任一涡轮单元失效后正常发电。

本发明的其他目的是提供一种可以安装在水下、地下以及沿既有管道安装的水力发电装置，因为没有涡轮单元部件处于外部，因此占地最小、对环境影响最小、不需要创建大坝或分流、砍伐森林和复原。

本发明的这些目的和其他优势在以下描述中更加明显。

发明概要：

根据本发明的一方面，这里提供了一种利用管道内流动的流体来发电的系统，该系统包含一个在某段管道内安装系统的固定装置、一个延伸轴和安装在轴上的涡轮转子，涡轮转子可以在管道内流体作用在涡轮转子时绕轴的延伸轴线转动。

一个发电机装置，其包含的第一部分含有至少一片磁铁，第二部分含有至少一个线圈，其中发电机系统的一部分安装在涡轮转子上，另一部分安装在靠近涡轮转子或其对面的定子元件上；外壳至少部分覆盖涡轮转子、轴和发电装置。外壳由可拆卸的两部分组成，因此两部分可以至少部分彼此分离，以进入涡轮转子和发电系统。

外壳的两部分优选在一个平面内以可拆卸方式相互连接，该平面大致平行于轴的延伸轴线。

外壳的两部分可以在一个平面方便的以可拆卸方式相互连接，该平面大致垂直于轴的延伸轴线。

有利的是，外壳包含一个流体入口和流体出口，其中流体入口和/或流体出口的截面积小于管道部分的截面积。

系统最好还包含至少一个入口导流叶片，可能安装或不安装在靠近流体入口的外壳上。每个入口导流叶片保持相对于管道内流体方向一定的角度，这样每个入口导流叶片都改变管道内流体的方向，使其至少部分符合涡轮转子的转子叶片。

每个入口导流叶片便利地跟外壳融为一体。在另一个实施例中，入口导流叶片跟外壳以可拆卸方式相连接。入口导流叶片安装在毂上内侧，但安装在外侧的环上可以方便拆卸。入口导流叶片装置安装在壳体内。

系统的另一个优势是包含至少一个出口固定叶片，位于流体出口附近。每个出口固定叶片大致保持跟管道内流体一致的方向。

每个出口固定叶片跟外壳融为一体。在另一个实施例中，出口固定叶片最好跟外壳为可拆卸连接。出口固定叶片装置安装在壳体内。

出于方便，在一个实施例中系统还包含一个开口的截头圆锥形入口元件，其第一个开放端安装在外壳的流体入口，第二个开放端位于流体入口的上游，其中第二个开放端的截面积大致等于管道的截面积。

系统的另一个优势是包含一个开放端截头圆锥形出口元件，其第一个开放端安装在外壳的流体出口，第二个开放端位于流体出口的下游，其中第二个开放端的截面积大致等于管道的截面积。

最好使轴相对外壳固定，这样轴相对于外壳便无法转动。

涡轮转子通过涡轮转子上的轴承装置安装在轴上，可以转动，这很便利。同时，轴通过外壳上提供的至少一个轴承装置安装到外壳，可以便利地转动。

涡轮转子和外壳最好至少由金属、聚合物、金属复合物或强化聚合物复合材料其中一种制成。

发电装置的第一和第二部分，至少其中之一的一部分由电气绝缘材料包裹。

发电装置的第一部分包含多个永磁铁。

发电装置包含多个非永久磁性的金属部分，每个金属部分位于两个永久磁铁之间，这样永久磁铁在金属部分会感应出磁场。

系统还包含多个涡轮转子和多个发电装置，每个发电装置的一部分安装在相应的多个涡轮转子之一上。

另一方面，本发明提供了一种由一条管道组成的发电装置；以及根据权利要求1至18中任一要求安装在管道某段的至少一个系统。

装置包含根据权利要求1至18任一要求安装在管道内的多个系统，彼此串联，沿管道间隔分布。

装置还包含一个旁通导管，跟每一个相应系统平行的管道连接。每个旁通导管包含一个减压阀，至少部分限制通过旁通导管的流体。

系统大致位于管道端口或端口附近。

另一方面，本发明提供了一种安装发电装置的方法，包含提供将流体从高处运至低处的管道以及将权利要求1至18中的至少一种装置安装在管道的一个或多个位置。

根据1至18的任一权利要求，该方法包括在现有管道中更新至少一个系统。

附图说明

如此，本发明可能会更加容易理解。现在将通过示例的方式对本发明的实施例加以描述，同时参考附图，其中：

图1是本发明某一实施例的发电系统的部分剖视图，

图2是图1所示系统的部分截面平面图，

图3是本发明某一实施例的涡轮转子的示意图，

图4是本发明某一实施例的发电装置的发电机定子示意图，

图5是转子的示意图，

图6是本发明某一实施例的入口导流叶片装置的示意图，

图7是本发明某一实施例的固定叶片装置的示意图，

图8是本发明某一实施例的发电系统的示意图，涡轮机在水平方向上拆开，

图9是具有水平拆分的发电机外壳的本发明某一实施例的示意图，显示了水平拆分外壳涡轮机通过拆卸顶盖可以方便的进行维护，

图10是具有垂直拆分外壳的总成示意图，

图11是安装在管道一部分的本发明某一实施例的发电系统示意图，

图12是安装在虹吸管道装置的本发明某一实施例的发电系统示意图，

图13是本发明某一实施例中包含多个发电系统的发电装置示意图，沿管道串联分布，

图14是本发明某一实施例中包含多个发电系统的发电装置示意图，采用并联分布，

图15是本发明另一实施例的发电系统的部分剖视图，和

图16是包含安装在管道内的图15发电系统的发电装置示意图。该实施例包含在单个位置安装多个涡轮机。涡轮机沿着管道排列。

优选实施例的详细描述：

具体实施方式

通过此处的描述可以最好的理解本发明。要实现前述目标和符合本发明的目的，以及克服与先前技术相关的问题和缺陷，对各种实施例进行了描述。但是，本领域技术人员将能领会到，此处提供的详细描述用于解释用途，在本发明扩展到这些有限的实施例之外时，可能体现为各种形式。因此，此处披露的具体细节不应理解为限制，更应是权利要求的基础和指导本领域技术人员应用本发明至几乎任意适当的具体系统、结构或物质的代表性基础。

先参考附图的图1和图2，本发明的一个实施例的发电系统安装在涡轮机外壳2内，该外壳配置安装在管道内的一部分上。本发明实施例的发电系统可能用作管道内发电系统。系统包含一个外壳或发电机外壳3，至少部分覆盖系统的组件。下面对发电机外壳3进行了详细描述。

在一个实施例中，本发明实施例的发电系统集成到管道一部分内部，管道的两端均有安装法兰。在该实施例中，管道的该部分可以在既有管道内联安装。

发电系统1包含一个延伸轴4，它在发电机外壳3中延伸。当发电系统1安装在涡轮外壳2内时，轴4的轴线大致平行于流经涡轮外壳2的液流方向，如图1和2中的箭头5所示。

在该实施例中，轴4固定在发电机外壳3上，使轴4不会相对发电机外壳3转动。但是，在其他实施例中，通过轴4和发电机外壳3上提供的轴承装置，轴4可以安装在发电机外壳3上，同时能够转动。

涡轮转子6安装到轴4上。在该实施例中，涡轮转子6通过自身提供的轴承装置7可以安装到轴4上，同时能够转动。在该实施例中，涡轮转子6和轴承装置7是系统在运行时唯一的转动组件。这使得使用过程中系统的磨损组件数量最小化。在涡轮转子6上提供单个轴承装置7也使得轴承装置维护较为容易，而其他传统系统需要多个轴承装置支撑转动的轴和转子。

在其他实施例中，轴4安装在发电机外壳3上，可以转动，涡轮转子6固定在轴4上随轴4转动。

参考附图的图3，涡轮转子6包含一个中心毂8，上面有安装孔9。该轴承装置7固定在安装孔9部分内，轴4延伸穿过轴承装置7和安装孔9，上面安装有可以转动的涡轮转子6。

涡轮转子6包含三个转子叶片10，每个叶片彼此以一定角度安装在中心毂8上。在该实施例中，有三个转子叶片10，但在其他实施例中，只有一个转子叶片或多于三个转子叶片。转子叶片10的角度满足流经涡轮外壳2的流体作用在叶片10，然后叶片对毂8施加转动力，驱动涡轮转子绕轴4的中心线转动。

涡轮转子6包含一个大致圆柱形的外环11，至少部分包裹叶片10。外环11包含至少一个永久磁铁12，它安装在外环11上或与之成为一体。在该实施例中，外环11包含多个永久磁铁12，沿外环11间隔分布，如图3所示。在一个实施例中，永久磁铁12部分或最好全部嵌入在涡轮转子的外环内。永久磁铁也最好进行密封。

在该实施例中，外环11和永久磁铁12之间有一个大致圆柱形的配接环11a。配接环11a是选配组件，便于发电机组装和拆卸。例如，配接环11a的尺寸可以在设计过程中调整，以补偿外环11、永久磁铁12或发电机定子(13和/或14)等的设计尺寸变更，而无需更改转子的尺寸。

永久磁铁12跟涡轮转子6一起转动。永久磁铁12构成发电装置的一部分。永久磁铁12和外环11作为发电机转子。由于外环通过叶片10安装至毂8，发电机转子集成到涡轮转子。涡轮转子6由此跟发电装置的发电机转子集成。

在本发明的优选实施例中，涡轮转子6包含冲压槽，提供容纳磁铁12的凹槽。凹槽的尺寸要保证磁铁12周围有充足的空间放置绝缘材料。凹槽内的空间用绝缘材料填充，由此将磁铁密封，防止磨损和挤压，同时防止跟水接触。密封还能防止磁铁在高速转动时跟所在的冲压槽脱离接触。

涡轮转子6最好跟叶片10和外环11铸造为一个单独整体组件。在其他实施例中，毂8、叶片10和外环11彼此独立成型，并连接固定，例如，采用焊接。

本发明的实施例中集成的涡轮和发电机转子避免了对传动装置的需求，比如飞轮或齿轮箱，它们通常用于连接涡轮转子和发电机转子。因此，本发明的实施例中集成的涡轮和发电机转子的复杂性降低，相对于需要传动结构的传统装置更加容易维护。

现在参考附图的图4，发电机定子元件13安装在发电机外壳3上，至少部分包裹涡轮转子6。发电机定子13的内孔直径选择需要满足定子13和转子6在装置流体入口侧的间隙小于流体出口侧的间隙。这将颗粒进入涡轮转子表面和外壳表面间隙的可能性降到最小，保护发电机免于冲击和防止淤泥、砂砾或污垢妨碍转动。

发电机定子13上至少安装一个线圈，跟发电机外壳3相对固定。在该实施例中，多个线圈14沿着发电机定子13间隔排列。线圈14构成发电装置的第二部分。

使用时，涡轮转子6转动，驱动磁铁12经过邻近的线圈14，在线圈14中感应出电压。该电压从线圈14输出，通过电气连接供至系统的平衡装置(未显示)。系统平衡装置控制发电功率并从系统输出电力。系统平衡装置也允许电力状况监测、远程控制和选配控制。

在本发明的优选实施例中，发电机转子6和发电机定子13均由抗水的电气绝缘材料进行密封。流经发电装置的水接触密封的转子6和定子13并对转子6和定子13进行冷却。这避免了强制冷却的需求，简化了系统并降低了总体成本和所需的维护。

在该实施例中，在装置中每组永久磁铁12之间有非永久磁化金属部分15，如图5所示。永久磁铁12和非永久磁化金属交替部分15共同构成了中间磁极转子。金属部分15感应出磁性，所以金属部分15作为发电系统内的磁铁。中间磁极设计可以降低永久磁铁12的数量，从而降低系统的总成本。

发电机定子和/或转子内的凹槽最好偏斜，这样每个凹槽和转动轴线呈一定角度，每个凹槽一端的角度位置相对于另一端位置错开。通过在制造时相对每一叠片转动和偏移叠片形成偏离，使重叠的叠片凹槽形成的通道呈螺旋状。偏斜有助于降低磁哼声，也有助于避免“齿槽效应”(即转子的锁定倾向)。

在其他实施例中，发电装置中的磁铁和线圈位置相反，其中线圈被集成到涡轮机转子中，而磁铁集成在定子中。在一个实施例中，转子和定子中都有线圈。还有的实施例中，发电装置包含一个感应发电机，跟涡轮转子相连。

参考附图的图6，本发明的该实施例具有入口导流叶片装置16。入口导流叶片装置16上包含一个中心毂17，跟发电机外壳3相对固定。中心毂17上有多个圆周间隔分布的入口导流叶片18径向向外延伸。入口导流叶片18彼此呈一定角度，改变流经系统的液流方向。该入口导流叶片18引导液流方向，至少跟涡轮转子6的一个或多个叶片10处于同一平面。入口导流叶片18将转子叶片10前缘的紊流最小化，从而使流体至涡轮转子6的能量转化效率最大化。

入口导流叶片18至少部分由流体入口管19外壁包裹，入口管跟流体流入发电系统1的发电机外壳3对齐。在该实施例中，发电机系统1的流体入口孔截面积小于涡轮外壳2部分的截面积。

参考附图的图7，出口固定叶片装置20包含一个中心毂21，跟发电机外壳3相对固定并靠近发电机外壳3的一个出口。出口固定叶片22从固定毂21向外径向延伸。每个固定叶片22的平面大致平行于流经系统的流体方向5。外侧支撑件20绕着固定叶片22延伸，提供的流体出口跟发电机外壳3上的流体出口对齐。流体出口孔截面积小于涡轮外壳2部分的截面积。

出口固定装置20的功能是对固定在固定毂21的轴4提供侧向支撑。固定叶片22平面的对齐使流体流出系统的阻力最小。

在该实施例中，入口导流叶片装置16和出口固定装置20支撑轴4的两端。

现在参考附图的图8，在本发明的一个实施例中，发动机外壳3包含第一个外壳部分24和第二个外壳部分25，通过固定装置26两部分以可拆卸方式连接。第一部分24和第二部分25在分割平面27上彼此接触，该分割平面跟流经系统的流体流动方向5大致平行。

现在参考附图的图9，发电机外壳3的24、25两部分通过松开固定装置26而分离。在该实施例中，第一部分24构成发电机外壳3的一半，可由此至少部分提升，从而允许访问转子和发电机外壳3内的其他组件，可以方便的维护和维修组件。因此，可以对发电系统进行原地维护。这避免了将整个发电系统从管道移除进行维护，因此提高了维护的便利性和降低了总成本。

参考附图的图10，在本发明的另一实施例中，发电机外壳3包含第一部分24和第二部分25，两者在平面28上为彼此可拆卸连接，平面垂直，跟流经系统的流体流动方向5大致垂直。在该实施例中，发电机外壳3可以沿着平面28分为两个独立部分24和25，便于对发电机外壳3内的组件进行维护。

再次附图的图1和图2以及图11，在本发明的优选实施例中，系统包含一个文丘里入口管道29，在流体流通中跟发动机外壳3相连。在该实施例中，文丘里入口通道29的内表面跟第二个开放端30大致呈截头圆锥形，开放端30的截面积大于第一个开放端31的截面积。

第二个开放端的截面积大致等于涡轮外壳2的部分截面积。第一个开放端的截面积大致等于发电机外壳3的流体入口截面积。

文丘里入口通道29有效的降低了流体进入发电系统所流经的通道直径。随着通道直径的减小，通道内的流体速度增加。通道内的文丘里效应因此起到了增加流体速度的作用，使其高于流经管道内其他位置的流体的速度。增加的流速意味着从流体中可以获得更多的机械能，使涡轮转子的转速最大化，从而使发电机的电力输出最大化。

在该实施例中，系统包含一个出口引流管32，连接至发电机外壳3的流体出口。引流管有一个中空的内表面，大致呈截头圆锥形。引流管32有第一个开放端33，连接至发电机外壳3的流体出口。引流管32的第一个开放端33的截面积大致等于发电机外壳3流体出口的截面积。

引流管32具有第二个开放端34，其截面积大于第一个开放端33。第二个开放端34的截面积大致等于涡轮外壳2的端面面积。由于引流管32在管道内产生了压差，所以引流管32可以通过从发电机外壳3抽出流体，方便的将流体从发电系统排出。

在一个实施例中，文丘里入口通道29和引流管32跟发电机外壳3构成整体。但是，在其他实施例中，文丘里入口通道29和/或引流管32作为独立的组件安装至发电机外壳3。

参考附图的图12，本发明的一个实施例的发电系统1安装在管道35的涡轮外壳2内。发电系统1和管道35分布在虹吸式水力发电系统内。虹吸式水力发电系统是小型或微型的水力发电系统。例如，管道可能安装在清淤池或围堰基础的一端。本发明的一个实施例的发电系统可以在高、中、低和超低水头下工作，从1米以下至200米以上不等。

管道35的一端浸在第一个位置的水体36以下。管道35的另一端浸在低于第一个位置的第二个位置的水体37以下。管道35包含一个出口38，配置为跟泵连接。泵可能由此连接出口38，泵出管道35中的空气，在管道35内产生负压。这会将水从水体36吸入管道35，水流经管道35进入较低的位置，由此引发管道35的虹吸作用。

由于虹吸效应将水吸入管道35，水流作用在涡轮转子6的叶片10上，驱动涡轮转子6旋转。涡轮转子6的转动带动发电机装置的发电机转子转动，从而产生电力。

参考附图的图13，在一个实施例中，本发明实施例的多个发电系统可能沿着管道间隔分布并串联安装。在该装置中，三个发电系统39-41在管道42中串联。

管道42从高处的水体43吸水，然后将水送至较低位置44。发电系统30-41的位置相对于水体43的水头不断降低，所以从高处水体43流下的水流势能在发电系统39-41之间进行分配。例如，在一个实施例中，五个额定值为二十米水头的涡轮机可以彼此间距二十米串联，以分配首尾涡轮机之间的一百米的总水头。

旁通导管或管道45-47跟每个发电系统30-41并联。每个旁通管道45-47都包含入口和出口截止阀，可以用来打开或关闭每个旁通管道45-47。截止阀可以逐渐打开或关闭，以调整流经旁通管道45-47的水流，由此调整通过相应发电系统30-41的水流。截止阀还可以调整流经每个旁通管道的水流量，以减小流经涡轮机的水头压力。

如果发电系统39-41之一需要维护，则可以关闭该发电系统两端的截止阀，防止水流入或流出发电系统。相应旁通管道的截止阀可以进行调整，允许流经旁通管道的流体流速接近发电系统正确连接和运行时的流体流速。

即使有一个或多个发电系统处于维护状态，旁通管道45-47和截止阀允许水流通过管道42，并调整发电系统39-41是发电能力最大化。

应当理解，在本发明的其他实施例中，管道可能仅包含一个发电系统或超过三个发电系统。

在串联的装置中，比如图13所示的装置，如果一个或多个涡轮机失效而装置中的其他涡轮机仍能运行，可以进行部分发电。如果一个或多个涡轮机失效，则失效涡轮机的水流应改流至旁通管道。在水头变化时，通过匹配可运行的涡轮机和可用的水头，串联装置也可以进行部分发电。

参考附图的图14，在本发明的其他实施例中，三个发电系统48-50安装在三个相应的管道51-53中，彼此平行布置。发电系统的平行配置允许添加或移除一个或多个发电系统48-50，使发电能力跟可用水流相匹配。在其他实施例中，多个发电系统彼此并联安装，在这些实施例中，有三个以下或以上的发电系统。

在并联装置中，如图14所示的装置，如果流量变化，可以根据流量下降选择适当的涡轮机数量，保证其正常运行以进行部分发电。

本发明的串联和并联装置解决了传统系统的难题。传统系统仅采用一个或少量的涡轮机，而涡轮机失效会显著降低或完全丧失发电能力。在传统装置由于水头低于某一水平而无法运行时，本发明的实施例仍然可以发电。

参考附图的图15，本发明的另一实施例包含诸多跟上述实施例相同的组件。每个实施例的相应组件都有对应的参考号。

在该实施例中，发电系统54包含两个涡轮转子55和56，跟上述的单涡轮转子6类似。但是，在该实施例中，第一个和第二个涡轮转子55和56固定在轴4上，轴4固定在发电机外壳3上，可以转动。第一个和第二个涡轮转子55和56随轴4同步转动。但是，在本发明的其他实施例中，轴4固定于发电机外壳3，涡轮机转子55和56安装在轴4上，可以转动。

该实施例的发电系统54跟上述实施例的运行方式类似，即跟每个涡轮机转子55和56关联的发电装置随涡轮转子55和56转动而发电。但是，在该实施例中，流经涡轮机外壳2的水流水头势能在两个涡轮转子55和56之间进行分配。

该实施例的发电系统54可以安装在输送较高水头的管道57的最底端。高水头水体的势能在涡轮转子55和56之间分配，无需沿管道57间隔分布单独分开的发电系统。该装置的有利性在于，发电系统的所有涡轮转子都位于同一个位置，如图16所示，相对于管道57的其他部分，处于高度较低的位置。较低的位置比较高位置会更加暖和，因此不容易受寒冷天气和结冰影响，尤其对于寒冷和积雪地区。另外，发电系统和相应的平衡系统都位于同一位置，而不是沿着管道57的陡坡间隔分布，因此容易进入。相对于其他需要将涡轮发电机安装在沿管道不同位置的发电系统，该发电系统更加可靠和容易维护。

即使覆盖在积雪下较长时间，复合材料构造允许涡轮机在水流经管道时正常工作。不需要像传统水力发电机一样进行加热。

在该多转子实施例中，只需要一条旁通管道58使水流绕过单个发电系统54。相比其他需要多个旁通管道和截止阀的装置，该单一旁通管道58和削减数量的截止阀更加容易实施和操作。

应当理解，本发明的其他实施例中，一个发电系统可能包含超过两个上述类型的涡轮转子和发电机。

在本发明的优选实施例中，整个发电系统由复合材料制造或采用金属部分和和复合材料部分组合。本发明实施例中的复合材料优选是玻璃纤维强化聚合物和/或碳纤维强化聚合物。这些复合材料类型的生产价格相对较低，使用寿命较长。

当用于本说明和权利要求时，“包含”、“包括”和其他相关术语意味着包含特定的功能、步骤或整体。这些术语不应当理解为排除其他功能、步骤或组件的存在。

本发明的优点：

本发明所描述的管道内涡轮和水力发电系统具有多项技术优势，包括但不限于：

·系统可以方便的安装在既有管道内，系统的法兰端口可以连接既有管道。这避免了对大坝、围堰或单独人造水源的需求。由于不需要泄洪或砍伐森林,大大降低了水力发电的占地需求并降低/消除了对环境的影响；由于没有迁移或复原,造成的社会影响较小或为零,同时,构造要求的减少也降低了碳足迹。

·系统简单、紧凑和模块化，提供较好的能效；

·系统可以适应多种水力条件和水头高度，并且

·系统容易维护，无需任何专门设备，入口导流叶片和出口固定叶片可以方便的从壳体移除。

在水平对分的壳体上，移除上壳体之后，可以移除入口导流叶片和出口固定叶片以进行维修或替换。

·系统仅包含单个移动件，轴是静止的，因此便于制造、组装、安装和维护。

·系统不需要单独的动力室，因此减少了建筑施工和土地可用性问题，将环境影响降到最低。本发明的实施例装置更容易被当地政府或管理机构批准，因为系统不会对环境产生负面影响。

Claims (27)

1.一种利用管道内流动的流体发电的系统，该系统包含：在管道一部分安装系统的固定装置；延伸轴；

安装在轴上的涡轮转子，当管道内流体作用在涡轮转子上时，涡轮转子可以沿轴的延伸轴线转动；

一个发电装置，包括含有至少一块磁铁的第一部分和含有至少一个线圈的第二部分，其中发电系统的一部分安装在涡轮转子上，其他部分安装在靠近涡轮转子的定子元件上；

一个外壳，至少部分覆盖涡轮转子、轴和发电装置，该外壳包含以拆卸方式相互连接的两部分，两者可以至少部分分离以访问涡轮转子和发电系统。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其外壳的两部分在一个平面内为可拆卸连接，该平面大致平行于轴的延伸轴线。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，其外壳的两部分在一个平面内为可拆卸连接，该平面大致垂直于轴的延伸轴线。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的系统，其特征在于，外壳包含一个流体入口和流体出口，其中流体入口和/或流体出口的截面积小于管道部分的截面积。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，系统还包含至少一个入口导流叶片，安装在靠近流体入口的外壳上；个入口导流叶片保持相对于管道内流体方向一定的角度，这样每个导流叶片都改变管道内流体的方向，使其至少部分符合涡轮转子的转子叶片。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，每个入口导流叶片跟外壳融为一体；入口导流叶片优选跟外壳为可拆卸连接。

7.根据权利要求4～6中任一项所述的系统，其特征在于，系统还包含至少一个出口固定叶片，位于流体出口附近；每个出口固定叶片大致保持跟管道内流体一致的方向。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，每个出口固定叶片跟外壳融为一体；出口固定叶片优选跟外壳为可拆卸连接。

9.根据权利要求4～8中任一项所述的系统，其特征在于，还包含一个开放端截头圆锥形入口元件，其第一个开放端安装在外壳的流体入口，第二个开放端位于流体入口的上游，其中第二个开放端的截面积大致等于管道的截面积。

10.根据权利要求4～8中任一项所述的系统，其特征在于，还包含一个开放端截头圆锥形出口元件，其第一个开放端安装在外壳的流体出口，第二个开放端位于流体出口的下游，其中第二个开放端的截面积大致等于管道的截面积。

11.根据权利要求1～10中任一项所述的系统，其特征在于，轴相对外壳固定，这样轴相对于外壳无法转动。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，涡轮转子通过涡轮转子上的轴承装置安装在轴上，可以转动。

13.根据权利要求1～10中任一项所述的系统，其特征在于，轴通过安装在外壳上的至少一个轴承装置安装在外壳上，可以转动。

14.根据权利要求1～13中任一项所述的系统，其特征在于，涡轮转子和外壳至少由金属、聚合物、金属复合物或强化聚合物复合材料其中一种制成。

15.根据权利要求1～14中任一项所述的系统，其特征在于，发电装置的第一和第二部分中至少其中之一的一部分由电气绝缘材料包裹。

16.根据权利要求1～15中任一项所述的系统，其特征在于，发电装置的第一部分包含多个永久磁铁。

17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，发电装置包含多个非磁性的金属部分，每个金属部分位于两个永久磁铁之间，这样永久磁铁在每个金属部分会感应出磁场。

18.根据权利要求1～17中任一项所述的系统，其特征在于，系统还包含多个涡轮转子和多个发电装置，每个发电装置的一部分安装在相应的多个涡轮转子之一上。

19.一种发电装置，包含：一条管道；和根据权利要求1至18的安装在管道某个部分内的至少一个发电系统。

20.根据权利要求19所述的发电装置，其特征在于，该装置包含根据权利要求1～18中任一要求安装在管道内的多个系统，彼此串联，沿管道间隔分布。

21.根据权利要求20所述的发电装置，其特征在于，该装置还包含一个连接管道的旁通导管，管道跟每个相应的系统平行，每个旁通导管包含一个减压阀，至少部分限制通过旁通导管的流体流量。

22.根据权利要求19所述的发电装置，其特征在于，对于包含权利要求18的系统大致位于管道端口或端口附近。

23.一种安装发电装置的方法，包含：提供从较高位置到较低位置传送流体的管道，并安装权利要求1～18中任一要求的至少一个设备于管道的一处或多处。

24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于，该方法包含根据权利要求1～18中任一系统更新现有管道中至少一个系统。

25.一种参考附图的图1至16并在上文充分描述的发电装置。

26.一种参考附图的图1至16并在上文充分描述的发电装置安装方法。

27.此处披露的任一新功能或功能组合。