CN106014776A - 一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，包括第一定子机构、第二定子机构、第一转子机构、第二转子机构和转轮机构，转轮机构包括一旋转内罩、第二旋转内罩和固定外罩通过密封轴承连接构成封闭的环形空腔，在第一旋转内罩和第二旋转内罩内侧安装有第一转叶片和第二转叶片，第一定子机构和第一转子机构成对安装在环形空腔内的上部，第二定子机构和第二转子机构成对安装在环形空腔内的下部；本发明所述高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机励磁效率高，寿命长，建设成本与生产管理成本较低，水能转化效率高。

Description

一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机
技术领域
本发明涉及水电设备领域，尤其涉及一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机。
背景技术
水轮发电装置按工作原理可分为冲击式水轮机和反击式水轮机两大类。冲击式水轮机的转轮受到水流的冲击而旋转，工作过程中水流的压力不变，主要是动能的转换；反击式水轮机的转轮在水中受到水流的反作用力而旋转，工作过程中水流的压力能和动能均有改变，但主要是压力能的转换。
冲击式水轮机，由于其工作轮仅部分过水，部分水斗受力，故该类水轮机所需流量较小，比较适合小流量高水头的发电场所。冲击式水轮机，按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类，在等径水轮条件下，切击式的受力力臂相对斜击式较大，但运行水轮转速相对较小。
反击式水轮机可分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式。在混流式水轮机中，水流径向进入导水机构，轴向流出转轮；在轴流式水轮机中，水流径向进入导叶，轴向进入和流出转轮；在斜流式水轮机中，水流径向进入导叶而以倾斜于主轴某一角度的方向流进转轮，或以倾斜于主轴的方向流进导叶和转轮；在贯流式水轮机中，水流沿轴向流进导叶和转轮。轴流式、贯流式和斜流式水轮机按其结构还可分为定桨式和转桨式。定桨式的转轮叶片是固定的；转桨式的转轮叶片可以在运行中绕叶片轴转动，以适应水头和负荷的变化。当前使用较为广泛的主要是轴流式和混流式水轮机。
现有的水轮机普遍所存在的问题是：1）水轮机的叶轮与发电机和励磁电机需通过较长的传动轴传动，而一般情况下，为了便于传动轴的安装更换，传动轴连接处会采用法兰连接，同时为了维持传动轴稳定转动，避免偏心转动，会在转轴的连接处以及中部设置多个轴承，轴承的增多会加大转动过程中的摩擦耗能，轴承容易因摩擦升温烧坏，且较长传动轴出现偏心转动时，容易导致对发电机造成损坏；2）现有水轮发电装置的发电机和励磁机在工作中会产生大量的废热（主要由导线中强电流产热、及轴承转动摩擦产热），需要安装专用的散热、冷却系统，当散热、冷却系统出现问题时，容易导致机芯、轴承烧坏，而且即使在冷却系统正常工作下，由于定子和转子呈内、外层分布，位于内层的转子产生的废热需通过定子与转子的隔空间隙层传导到外界，隔空间隙层的导热速率小，内层转子与外层定子存在较大的温差，内层转子容易烧毁；3）现有水轮机，由于在水流能量利用上存在较大的水流动能余留和摩擦产热损耗，水流能量的利用率相对较低，现阶段，轴流式水轮机的较高稳定效率仅为90%；4）现有的每组水轮发电机均是针对不同地形的定制机，造成原材料、组件、线材和零部件不能够通用，不能够批量生产；5）由于水轮发电机中的定子、转子、凸极、传动轴等部件需要承受较高的温度或较大的受力，其定子、转子、凸极、传动轴等部件对材料强度要求高。
上述因素给电站的建设造成了较大的投入成本与生产管理成本，且电站生产产能相对较低，部分小型可利用水能资源被浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：1）现有水轮发电装置中传动轴和轴承由于受力较大、摩擦产温较高，其损耗较大；2）现有水轮发电装置的发电机和励磁机在工作中会产生大量的废热，需要安装专用的冷却系统，且其冷却系统的冷却效果欠佳，容易烧毁机芯；3）现有水轮机的较高稳定效率仅在90%左右；4）现有的水轮发电机均是针对不同地形的定制机，体积存在较大差异，不能够批量生产；5）水轮发电机中的定子、转子、凸极、传动轴等部件对材料强度要求高。
为解决其技术问题本发明所采用的技术方案为：一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，包括第一定子机构、第二定子机构、第一转子机构、第二转子机构、转轮机构、尾水管、导水机构和转轮室；
其特征在于：转轮机构包括第一转叶片、第二转叶片、第一旋转内罩、第二旋转内罩和固定外罩，第一转叶片环形分布在第一旋转内罩内侧，第二转叶片环形分布在第二旋转内罩内侧，第一转叶片与第二转叶片的转动方向相反，第一旋转内罩与第二旋转内罩同轴上、下分布，固定外罩位于第一旋转内罩和第二旋转内罩的径向外侧，第一旋转内罩、第二旋转内罩与固定外罩通过密封轴承连接构成封闭的环形空腔，第一定子机构与第二定子机构同轴上下并列安装在环形空腔内的固定外罩内壁上，第一转子机构与第二转子机构同轴上下并列，分别配对于第一定子机构和第二定子机构，并分别安装在环形空腔内的第一旋转内罩和第二旋转内罩壁面上；
导水机构、转轮室和尾水管形成水流封闭通道；
所述第一定子机构包括第一发电机电枢绕组和第一励磁机电枢绕组，第一发电机电枢绕组和第一励磁机电枢绕组同轴环形分布，分别位于上下方，第二定子机构包括第二发电机电枢绕组和第二励磁机电枢绕组，第二发电机电枢绕组和第二励磁机电枢绕组同轴环形分布，分别位于上下方；
第一转子机构包括第一发电机励磁绕组和第一励磁机永磁，第一发电机励磁绕组和第一励磁机永磁同轴环形分布，分别位于上下方，第二转子机构包括第二发电机励磁绕组和第二励磁机永磁，第二发电机励磁绕组和第二励磁机永磁同轴环形分布，分别位于上下方。
作为进一步说明，所述第一旋转内罩与固定外罩的连接间隙处设置有第一导电刷，第二旋转内罩与固定外罩的连接间隙处设置有第二导电刷，第一发电机励磁绕组和第二发电机励磁绕组分别通过第一导电刷和第二导电刷共同导电连接有励磁整流控制装置。
作为进一步优化，为了减小尾水管和导水机构与第一旋转内罩、第二旋转内罩的摩擦，同时提高其密封性，所述导水机构、第一旋转内罩、第二旋转内罩和尾水管间的间隙部位均设置有陶瓷密封轴承。
作为进一步优化，为了具有更好的防水性能，所述陶瓷密封轴承外侧设置有相互配合的折形离心甩水边环，折形离心甩水边环的间隙口沿径向朝外。
作为进一步优化，为了更好的增强折形离心甩水边环的甩水效果和耐磨性，所述折形离心甩水边环内还安装有树脂耐磨环。
作为进一步优化，为了实现对定子机构和转子机构的实时动态监测，所述固定外罩内还安装有红外测温器。
基于上述技术方案的说明，所述高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机做功方法为：转轮室包含有第一转叶片和第二转叶片相互独立，第一转叶片与第二转叶片转向相反，并分别带动第一发电机励磁绕组和第二发电机励磁绕组转动，分别磁感切割第一发电机电枢绕组和第二发电机电枢绕组，实现双电枢发电。
工作原理：该发明所述高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，工作时，水流经过导水机构的引导与控制，流入转轮室，转轮室中第一转叶片和第二转叶片在水流压力的驱动下分别带动第一旋转内罩和第二旋转内罩转动，第一旋转内罩和第二旋转内罩并分别带动第一励磁机永磁和第二励磁机永磁的转动，分别切割第一励磁机电枢绕组和第二励磁机电枢绕组，产生交流电输入到励磁整流控制装置，经励磁整流控制装置整流后，分别通过第一导电刷和第二导电刷导电到第一发电机励磁绕组和第二发电机励磁绕组，分别产生用于切割第一发电机电枢绕组和第二发电机电枢绕组的磁场，并使第一发电机电枢绕组和第二发电机电枢绕组输出磁感电流。
有益效果：本发明所述的高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，相对于现有水轮发电装置，由于第一定子机构、第二定子机构、第一转子机构和第二转子机构直接安装在转轮机构的环形空腔内，发电工作过程产生的废热可直接通过第一旋转内罩、第二旋转内罩与固定外罩散热到水流中，有效的省去了专门的冷确散热系统；且第一转子机构和第二转子机构的废热可直接通过第一旋转内罩和第二旋转内罩导热到外界，相对于传统的转子结构模式，其热量传导无需通过转子与定子间的隔空层，相比现有的发电机散热系统，具有更好的散热效果，能有效避免烧毁机芯的问题，增长设备的使用寿命。
同时，由于第一转叶片与第二转叶片的方向相反，其水流经过转轮室后的余留动能可大大降低，水能转化率可达96%，相比传统的单叶轮结构，效率提高7%。
此外，由于转轮机构与第一定子机构、第二定子机构、第一转子机构、第二转子机构与转轮机构的一体化，动力传动无需通过传动轴部件传动，能有效的避免传动轴偏心问题和轴承摩擦耗能问题，大大简化了水轮发电装置的结构和材料，较大程度地缩小了设备体积；本设备在电站建设的诸多状况下均可整体使用，较大地增强了设备的通用性，减少了电站建设成本与生产管理成本。
附图说明
图1为本发明方案一的垂直剖视视结构示意图；
图2为本发明方案一中第一定子机构水平剖视结构示意图；
图3为本发明方案一中第二定子机构水平剖视结构示意图；
图4为本发明方案二的垂直剖视视结构示意图；
图5为本发明方案二中折形离心甩水边环结构放大示意图；
图6为本发明方案三中折形离心甩水边环结构放大示意图；
图7为本发明方案四的垂直横向剖视结构示意图；
图中：1为第一定子机构、11为第一发电机电枢绕组、12为第一励磁机电枢绕组、2为第二定子机构、21为第二发电机电枢绕组、22为第二励磁机电枢绕组、3为第一转子机构、31第一发电机励磁绕组、32第一励磁机永磁、4为第二转子机构、41为第二发电机励磁绕组、42为第二励磁机永磁、5为转轮机构、51为第一转叶片、52为第二转叶片、53为第一旋转内罩、54为第二旋转内罩、55为固定外罩、56为密封轴承、57为环形空腔、58为第一导电刷、59为第二导电刷、510为励磁整流控制装置、511为陶瓷密封轴承、512为折形离心甩水边环、513为树脂耐磨环、514为红外测温器、6为尾水管、7为导水机构、8为转轮室。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
方案一（如图1、图2和图3所示）：一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，包括第一定子机构1、第二定子机构2、第一转子机构3、第二转子机构4、转轮机构5、尾水管6、导水机构7和转轮室8；转轮机构5包括第一转叶片51、第二转叶片52、第一旋转内罩53、第二旋转内罩54和固定外罩55，第一转叶片51环形分布在第一旋转内罩53内侧，第二转叶片52环形分布在第二旋转内罩54内侧，第一转叶片51与第二转叶片52的转动方向相反，第一旋转内罩53与第二旋转内罩54同轴上、下分布，固定外罩55位于第一旋转内罩53和第二旋转内罩54的径向外侧，第一旋转内罩53、第二旋转内罩54与固定外罩55通过密封轴承56连接构成封闭的环形空腔57，第一定子机构1与第二定子机构2同轴上下并列安装在环形空腔57内的固定外罩55内壁上，第一转子机构3与第二转子机构4同轴上下并列，分别配对于第一定子机构1和第二定子机构2，并分别安装在环形空腔57内的第一旋转内罩53和第二旋转内罩54壁面上；导水机构7、转轮室8和尾水管6形成水流封闭通道。
作为上述实施方式的进一步具体说明，所述第一定子机构1包括第一发电机电枢绕组11和第一励磁机电枢绕组12，第一发电机电枢绕组11和第一励磁机电枢绕组12同轴环形分布，分别位于上下方，第二定子机构2包括第二发电机电枢绕组21和第二励磁机电枢绕组22，第二发电机电枢绕组21和第二励磁机电枢绕组22同轴环形分布，分别位于上下方；第一转子机构3包括第一发电机励磁绕组31和第一励磁机永磁32，第一发电机励磁绕组31和第一励磁机永磁32同轴环形分布，分别位于上下方，第二转子机构4包括第二发电机励磁绕组41和第二励磁机永磁42，第二发电机励磁绕组41和第二励磁机永磁42同轴环形分布，分别位于上下方；第一旋转内罩53与固定外罩55的连接间隙处设置有第一导电刷58，第二旋转内罩54与固定外罩55的连接间隙处设置有第二导电刷59，第一发电机励磁绕组31和第二发电机励磁绕组41分别通过第一导电刷58和第二导电刷59共同导电连接有励磁整流控制装置510。
作为进一步优化，为了减小尾水管6和导水机构7与第一旋转内罩53、第二旋转内罩54的摩擦，同时提高其密封性，所述导水机构7、第一旋转内罩53、第二旋转内罩54和尾水管6间的间隙部位均设置有陶瓷密封轴承511。
基于上述方案实施方式的说明，所述高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机做功方法为：转轮室8包含有第一转叶片51和第二转叶片52相互独立，第一转叶片51与第二转叶片52转向相反，并分别带动第一发电机励磁绕组31和第二发电机励磁绕组41转动，分别磁感切割第一发电机电枢绕组11和第二发电机电枢绕组21，实现双电枢发电。
通过上述实施方案，所述高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机的水能转化效率可达96%，相比传统轴流式水轮发电装置，效率可提高7%。
方案二（如图4和图5所示）：与方案一不同之处在于：为了具有更好的防水性能，所述陶瓷密封轴承511外侧设置有相互配合的折形离心甩水边环512，折形离心甩水边环512的间隙口沿径向朝外。
方案三（如图6所示）：为了更好的增强折形离心甩水边环512的甩水效果和耐磨性，所述折形离心甩水边环512内还安装有树脂耐磨环513。
方案四（如图7所示）：为了实现对定子机构1和转子机构2的实时动态监测，所述固定外罩55内还安装有红外测温器514。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，包括第一定子机构(1)、第二定子机构(2)、第一转子机构(3)、第二转子机构(4)、转轮机构(5)、尾水管(6)、导水机构(7)和转轮室(8)，其特征在于：转轮机构(5)包括第一转叶片(51)、第二转叶片(52)、第一旋转内罩(53)、第二旋转内罩(54)和固定外罩(55)，第一转叶片(51)环形分布在第一旋转内罩(53)内侧，第二转叶片(52)环形分布在第二旋转内罩(54)内侧，第一转叶片(51)与第二转叶片(52)的转动方向相反，第一旋转内罩(53)与第二旋转内罩(54)同轴上、下分布，固定外罩(55)位于第一旋转内罩(53)和第二旋转内罩(54)的径向外侧，第一旋转内罩(53)、第二旋转内罩(54)与固定外罩(55)通过密封轴承(56)连接构成封闭的环形空腔(57)，第一定子机构(1)与第二定子机构(2)同轴上下并列安装在环形空腔57内的固定外罩55内壁上，第一转子机构(3)与第二转子机构4同轴上下并列，分别配对于第一定子机构(1)和第二定子机构(2)，并分别安装在环形空腔(57)内的第一旋转内罩(53)和第二旋转内罩(54)壁面上，导水机构(7)、转轮室(8)和尾水管(6)形成水流封闭通道，所述第一定子机构(1)包括第一发电机电枢绕组(11)和第一励磁机电枢绕组(12)，第一发电机电枢绕组(11)和第一励磁机电枢绕组(12)同轴环形分布，分别位于上下方，第二定子机构(2)包括第二发电机电枢绕组(21)和第二励磁机电枢绕组(22)，第二发电机电枢绕组(21)和第二励磁机电枢绕组(22)同轴环形分布，分别位于上下方,第一转子机构(3)包括第一发电机励磁绕组(31)和第一励磁机永磁(32)，第一发电机励磁绕组(31)和第一励磁机永磁(32)同轴环形分布，分别位于上下方，第二转子机构(4)包括第二发电机励磁绕组(41)和第二励磁机永磁(42)，第二发电机励磁绕组(41)和第二励磁机永磁(42)同轴环形分布，分别位于上下方。
2. 根据权利要求1所述的高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，其特征在于；所述第一旋转内罩(53)与固定外罩(55)的连接间隙处设置有第一导电刷(58)，第二旋转内罩(54)与固定外罩(55)的连接间隙处设置有第二导电刷(59)，第一发电机励磁绕组(31)和第二发电机励磁绕组(41)分别通过第一导电刷(58)和第二导电刷(59)共同导电连接有励磁整流控制装置(510)。
3. 根据权利要求2所述的高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，其特征在于：所述导水机构(7)、第一旋转内罩(53)、第二旋转内罩(54)和尾水管(6)间的间隙部位均设置有陶瓷密封轴承(511)。
4. 根据权利要求3所述的高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，其特征在于：所述陶瓷密封轴承(511)外侧设置有相互配合的折形离心甩水边环(512)，折形离心甩水边环(512)的间隙口沿径向朝外。
5. 根据权利要求4所述的高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，其特征在于：所述折形离心甩水边环(512)内还安装有树脂耐磨环(513)。
6. 根据权利要求1或2所述的高效多阶中通轴流式一体化水轮发电机，其特征在于：所述固定外罩(55)内还安装有红外测温器(514)。
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