CN106014781A - 一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机及其做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机及其做功方法，其伞式一体化正装斜击式水轮发电机包括发电机构、励磁机构、斜击叶轮机构和转轴机构，斜击叶轮机构包括斜击叶片、环形外罩和环形内罩，环形外罩与环形内罩通过密封轴承连接构成封闭的环形空腔，发电机构与励磁机构并列安装在环形空腔内，转轴机构与环形内罩同轴线固定连接；本发明所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机通用性较好，寿命长、效率高，建设成本与生产管理成本较低。

Description

一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机及其做功方法

技术领域

本发明涉及水电设备领域，尤其涉及伞式一体化正装斜击式水轮发电机及其做功方法。

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。

斜击式水轮机，由于其叶片受力相对切击式水轮机的叶片受力较小，对叶片的材质和制造工艺要求较低，且运行稳定、噪音小，总体性价比较高，深受国内外小型电站企业的喜好。

然而，现有的斜击式水轮机所存在的问题是：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，会在转轴的连接处以及中部设置多个轴承，这种结构方式非常耗材，且转轴仍容易出现偏心转动，容易导致对发电机造成损失；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生产），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，容易导致机芯烧坏；3）现有斜击式水轮机的发电效率普遍相对偏低，其中做的较为理想的效率仅在80%至84%；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。

由于上述因素，在电站建设中，电站设计较复杂、基建工程量较大，设备运输、安装成本较高；且其定子、转子、凸极、传动轴等部件对材料强度要求高；上述问题给小型电站的建设造成了较大的投入成本与生产管理成本，且产能较小，部分小型可利用水能资源被浪费。

此外，现有的斜击式水轮机的做功方式均是：将喷嘴垂直于水轮叶片的径向方式，喷嘴的高速水流与折形叶片的进口平面存在一定倾斜角，高速水流沿进口平面进入，并流经叶片的折形面，将其动能传递到叶片上，最后水流从出水面流出；该种做功方式，其流出的水流余能较大，水流动能转化效率偏低；且其动能的传动过程中动能损耗较大，发电效率偏低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：现有的斜击式水轮发电装置的结构复杂、场地占用体积较大，散热系统的散热效果较差，容易导致机芯烧坏，效率普遍偏低，其原材料、组件、线材和零部件的通用性较差，组件易损耗，建设成本与生产管理成本较高。

为解决其技术问题本发明所采用的技术方案为：一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机，包括发电机构、励磁机构、斜击叶轮机构、励磁导电机构、支撑臂和喷嘴；

其特征在于：斜击叶轮机构包括斜击叶片、环形外罩和环形内罩，斜击叶片环形分布在环形外罩外侧，环形外罩与环形内罩通过密封轴承连接构成封闭的环形空腔，发电机构与励磁机构并列安装在环形空腔内，励磁导电机构与环形内罩同轴线固定连接，环形内罩下部固定安装在支撑臂上，喷嘴安装在斜击叶片上方；

所述发电机构包括发电电枢绕组和发电励磁绕组，所述励磁机构包括励磁机电枢绕组、励磁机励磁绕组和外界的励磁整流设备；

发电电枢绕组与励磁机电枢绕组同轴上下并列固定安装在环形外罩内侧；

发电励磁绕组与励磁机励磁绕组同轴上下并列固定安装在环形内罩外侧。

作为进一步优化，励磁导电机构包括封闭管、导电芯和导电刷，多对导电芯相互绝缘密封安装在封闭管内，导电刷安装在环形空腔内环形外罩与环形内罩的间隙位置面上，导电芯的一端与导电刷对应连接；

封闭管与环形外罩同轴线密封连接，封闭管与环形内罩连接处采取密封处理；

发电电枢绕组的电流输出电极对与励磁机电枢绕组的电流输出电极对分别通过导电刷导电连接其相应的导电芯，导电芯导电连接外界的励磁整流设备。

作为进一步优化，为了具有更好的防水性能，所述环形外罩与环形内罩的连接处，环形内罩的包边在环形外罩的外侧。

作为进一步优化，为了具有更好的防水性能，所述环形外罩与环形内罩的连接处，环形内罩的边口设置有环形离心甩水槽，环形外罩的边口设置有与环形离心甩水槽相吻合的环形槽刀。

作为进一步优化，为了更好的增强环形离心甩水槽的甩水效果和耐磨性，所述环形离心甩水槽内还安装有树脂耐磨环。

作为进一步优化，所述斜击叶轮机构水平安装，斜击叶片水平分布，喷嘴安装在斜击叶片上方，喷嘴喷水方向朝向斜击叶片，喷嘴与斜击叶片分布面存在一定倾角，其倾角在20°至30°，喷嘴与斜击叶片的径向方向的夹角呈45°至55°。

基于上述所述技术方案，其伞式一体化正装斜击式水轮发电机的做功方法为：所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机的斜击叶片水平分布，喷嘴安装在斜击叶片上方，喷嘴喷水方向朝向斜击叶片，喷嘴与斜击叶片分布面存在一定倾角，其倾角在20°至30°，喷嘴与斜击叶片的径向方向的夹角呈45°至55°；采用该种做功方式，其喷嘴喷出的水流从斜击叶片的径向外侧逐步向径向内侧流动，并持续对叶片施力，直至在斜击叶片的径向内侧下方流出，流出的水流余能可接近5%至9%，其动能转化效率可达91%至95%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定动能转化效率提高9%至13%左右。

工作原理：该发明所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机，工作时，喷嘴向斜击叶片喷射水流，驱动斜击叶轮机构转动，并带动发电电枢绕组和励磁机电枢绕组转动，励磁机电枢绕组在转动时，产生交流电，并通过导电芯和导电刷传导到外界的励磁整流设备，由外界的励磁整流设备整流后产生恒压稳定直流，再通过并导电刷和导电芯传导到发电励磁绕组，使发电励磁绕组产生磁场，在发电电枢绕组在转动时切割发电励磁绕组的磁场，使发电电枢绕组输出电流；

该伞式一体化正装斜击式水轮发电机，由于发电机构和励磁机构直接安装在斜击叶轮机构，由于斜击叶片和环形外罩具有较好的导热率和较大的导热面积，斜击叶片兼具散热片功效，发电工作过程产生的废热直接通斜击叶片散热到水流中，有效的省去了专门的冷确散热系统和热监控系统，同时也省去了传动轴部件，大大简化了水轮发电装置的结构和材料，并防止传动轴偏心问题，避免定子绕组或转子绕组被烧坏的问题，增长了设备的使用寿命。

该发电机构的发电励磁绕组位于中部，发电电枢绕组位于外部，该种发电机构的电枢绕组和励磁绕组与现有常用发电机中电枢绕组和励磁绕组的分布相同，也即正装结构模式，发电电枢绕组转动时，切割发电励磁绕组线圈，用于产生感应电流，该种结构的发电电枢绕组具有较大的分布面积，同等电枢绕线面积下，绕组分布面积越大，绕组厚度越小。

有益效果：本发明所述的伞式一体化正装斜击式水轮发电机，相对于现有水轮发电装置，其发电机构和励磁机构直接安装在斜击叶轮机构内，实现了水轮机构与发电机构、励磁机构的一体化，动力传动无需通过传动轴传动，且废热可直接通过斜击叶片散热到水流中；本发明能有效的避免传动轴偏心问题，以及避免定子绕组或转子绕组被烧坏的问题，增长了设备的使用寿命；且大大简化了水轮发电装置的结构和材料，缩小了设备体积；同时，由于设备被一体化，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为本发明方案一的俯视结构示意图；

图2为本发明方案一的水平剖视结构示意图；

图3为本发明方案一的垂直横向剖视结构示意图；

图4为本发明方案一的垂直纵向剖视结构示意图；

图5为本发明方案二的垂直横向剖视结构示意图；

图6为本发明方案二中环形离心甩水槽结构放大示意图；

图7为本发明方案三中环形离心甩水槽结构放大示意图；

图中：1为发电机构、11为发电电枢绕组、12为发电励磁绕组、2为励磁机构、21为励磁机电枢绕组、22为励磁机励磁绕组、3为斜击叶轮机构、31为斜击叶片、32为环形外罩、33为环形内罩、34为密封轴承、35为环形空腔、36为环形离心甩水槽、37为环形槽刀、38为树脂耐磨环、4为励磁导电机构、41为封闭管、42为导电芯、43为导电刷、5为支撑臂、6为喷嘴。

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至图4所示）：一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机，包括发电机构1、励磁机构2、斜击叶轮机构3和励磁导电机构4；斜击叶轮机构3包括斜击叶片31、环形外罩32和环形内罩33，环形外罩32与环形内罩33通过密封轴承34连接构成封闭的环形空腔35，发电机构1与励磁机构2并列安装在环形空腔35内，励磁导电机构4与环形内罩33同轴线固定连接；所述发电机构1包括发电电枢绕组11和发电励磁绕组12，所述励磁机构2包括励磁机电枢绕组21、励磁机励磁绕组22和外界的励磁整流设备；发电电枢绕组11与励磁机电枢绕组21竖向并列，并环形固定分布在环形外罩32内侧；发电励磁绕组12与励磁机励磁绕组22竖向并列，并环形固定分布在环形内罩33外侧；励磁导电机构4包括封闭管41、导电芯42和导电刷43，两对导电芯42相互绝缘密封安装在封闭管41内，导电刷43安装在环形空腔35内环形外罩与环形内罩的间隙位置面上，导电芯42的一端与导电刷43对应连接；封闭管41与环形外罩32同轴线密封连接，封闭管41与环形内罩33连接处采取密封处理；发电电枢绕组11的电流输出电极对与励磁机电枢绕组21的电流输出电极对分别通过导电刷43导电连接其相应的导电芯42，导电芯42导电连接外界的励磁整流设备；环形内罩33下部固定安装在支撑臂5上；为了具有更好的防水性能，所述环形外罩32与环形内罩33的连接处，环形内罩33的包边在环形外罩32的外侧；所述斜击叶轮机构3水平安装，斜击叶片31水平分布，喷嘴6安装在斜击叶片31上方，喷嘴6喷水方向朝向斜击叶片31，喷嘴6与斜击叶片31分布面存在一定倾角，其倾角为30°，喷嘴6与斜击叶片31的径向方向的夹角呈55°。

通过采用上述方案一实施方式结构，所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机的稳定发电效率可达92%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定发电效率提高10%左右。

方案二（如图5和图6所示）：与方案一不同之处在于：为了具有更好的防水性能，所述环形内罩33的边口设置有环形离心甩水槽36，环形外罩32的边口设置有与环形离心甩水槽36相吻合的环形槽刀37。

方案三（如图7所示）：与方案二不同之处在于：为了更好的增强环形离心甩水槽36的甩水效果和耐磨性，所述环形离心甩水槽36内还安装有树脂耐磨环38。

方案四：与方案一不同之处在于：所述喷嘴6与斜击叶片31分布面的倾角为30°，喷嘴6与斜击叶片31的径向方向的夹角呈55°；采用该种结构，所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机的稳定发电效率可达91%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定发电效率提高9%左右。

方案五：与方案一不同之处在于：所述喷嘴6与斜击叶片31分布面的倾角为25°，喷嘴6与斜击叶片31的径向方向的夹角呈50°；采用该种结构，所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机的稳定发电效率可达95%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定发电效率提高13%左右。

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 (7)

1. 一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机，包括发电机构(1)、励磁机构(2)、斜击叶轮机构(3)、励磁导电机构(4)、支撑臂(5)和喷嘴(6)，其特征在于：斜击叶轮机构(3)包括斜击叶片(31)、环形外罩(32)和环形内罩(33)，斜击叶片(31)环形分布在环形外罩(32)外侧，环形外罩(32)与环形内罩(33)通过密封轴承(34)连接构成封闭的环形空腔(35)，发电机构(1)与励磁机构(2)并列安装在环形空腔(35)内，励磁导电机构(4)与环形内罩(33)同轴线固定连接，环形外罩(32)由斜击叶片(31)带动旋转，环形内罩(33)下部固定安装在支撑臂(5)上，喷嘴(6)安装在斜击叶片(31)上方，发电机构(1)包括发电电枢绕组(11)和发电励磁绕组(12)，励磁机构(2)包括励磁机电枢绕组(21)和励磁机励磁绕组(22)，发电电枢绕组(11)与励磁机电枢绕组(21)同轴上下并列固定安装在环形外罩(32)内侧，发电励磁绕组(12)与励磁机励磁绕组(22)同轴上下并列固定安装在环形内罩(33)外侧。

2. 根据权利要求1所述的伞式一体化正装斜击式水轮发电机，其特征在于：所述励磁导电机构(4)包括封闭管(41)、导电芯(42)和导电刷(43)，多对导电芯(42)相互绝缘密封安装在封闭管(41)内，导电刷(43)安装在环形空腔(35)内环形外罩与环形内罩的间隙位置面上，导电芯(42)的一端与导电刷(43)对应连接，封闭管(41)与环形外罩(32)同轴线密封连接，封闭管(41)与环形内罩(33)连接处采取密封处理，发电电枢绕组(11)的电流输出电极对与励磁机电枢绕组(21)的电流输出电极对分别通过导电刷(43)导电连接其相应的导电芯(42)。

3. 根据权利要求2所述的伞式一体化正装斜击式水轮发电机，其特征在于：所述环形外罩(32)与环形内罩(33)的密封轴承(34)包含上、下部两处，环形内罩(33)的下部罩面位于下部密封轴承(34)的下方，环形内罩(33)的上部罩面位于上部密封轴承(34)的上方。

4. 根据权利要求2所述的伞式一体化正装斜击式水轮发电机，其特征在于：所述环形内罩(33)的边口设置有环形离心甩水槽(36)，环形外罩(32)的边口设置有与环形离心甩水槽(36)相吻合的环形槽刀37。

5. 根据权利要求4所述的伞式一体化正装斜击式水轮发电机，其特征在于：所述环形离心甩水槽(36)内还安装有树脂耐磨环(38)。

6. 根据权利要求1、2、3或4所述的伞式一体化正装斜击式水轮发电机，其特征在于：所述斜击叶轮机构(3)水平安装，斜击叶片(31)水平分布，喷嘴(6)安装在斜击叶片(31)上方，喷嘴(6)喷水方向朝向斜击叶片(31)，喷嘴(6)与斜击叶片(31)分布面存在一定倾角，其倾角在20°至30°，喷嘴(6)与斜击叶片(31)的径向方向的夹角呈45°至55°。

7. 一种伞式一体化正装斜击式水轮发电机的做功方法，其特征在于：所述伞式一体化正装斜击式水轮发电机的斜击叶片(31)水平分布，喷嘴(6)安装在斜击叶片(31)上方，喷嘴(6)喷水方向朝向斜击叶片(31)，喷嘴(6)与斜击叶片(31)分布面存在一定倾角，其倾角在20°至30°，喷嘴(6)与斜击叶片(31)的径向方向的夹角呈45°至55°。