CN106014806A - 一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机及做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机及做功方法，其立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机包括发电机构、励磁机构、转轮机构、尾水管、导水机构和转轮室，转轮机构包括转叶片、环形旋转罩和环形固定罩，转叶片扇形分布在环形旋转罩内侧，环形旋转罩与环形固定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同轴上下并列安装在环形空腔内，导水机构、转轮室和尾水管形成水流封闭通道；本发明所述立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机寿命长，建设成本与生产管理成本较低，水能转化效率高。

Description

一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机及做功方法

技术领域

本发明涉及水电设备领域，尤其涉及一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机及做功方法。

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。

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；6）励磁绕组的磁极仅能利用其中一磁极，励磁效率较低，励磁能耗较大。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；6）励磁绕组的磁极励磁效率较低。

为解决其技术问题本发明所采用的技术方案为：一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，包括发电机构、励磁机构、转轮机构、尾水管、导水机构和转轮室；

其特征在于：转轮机构包括转叶片、环形旋转罩、环形固定罩和转叶调节机构，转叶调节机构呈环管形，转叶片的外径侧边通过活动转轴安装在转叶调节机构的内侧，转叶调节机构固定安装在环形旋转罩内侧，环形旋转罩与环形固定罩通过密封轴承连接构成封闭的环形空腔，励磁机构与发电机构同轴上、下层并列安装在环形空腔内，尾水管与环形固定罩同轴线固定连接，尾水管位于环形固定罩的下方，导水机构与环形固定罩同轴线固定连接，导水机构位于环形固定罩的上方，转轮室为环形旋转罩所围空腔，导水机构、转轮室和尾水管共同形成封闭水流通道；

所述发电机构包括发电励磁绕组、发电电枢绕组和发电电枢绕组，所述励磁机构包括励磁机励磁绕组、第一励磁机电枢绕组和第二励磁机电枢绕组；

第一发电电枢绕组、发电励磁绕组和第二发电电枢绕组同轴外、中、内层分布；

发电励磁绕组和励磁机励磁绕组同轴安装在环形旋转罩的中部，发电励磁绕组位于励磁机励磁绕组的上方；

第一发电电枢绕组和第一励磁机电枢绕组同轴上、下层安装在环形固定罩内的外径侧；

第二发电电枢绕组和第二励磁机电枢绕组同轴上、下层安装在环形固定罩内的内径侧。

作为进一步优化说明，所述环形旋转罩与环形固定罩的连接间隙处设置有导电刷，导电刷用于励磁电流的输入和感生电流的输出。

作为进一步优化，所述引导机构与环形旋转罩的间隙部位设置陶瓷密封轴承；该种结构可减小环形旋转罩在旋转过程受到的水阻力。

作为进一步优化，为了具有更好的防水性能，所述环形旋转罩与环形固定罩边角连接处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。

基于上述技术方案的说明，所述立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机做功过程中，其转轮室与水流共同旋转带动发电机构做功。

工作原理：该发明所述立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，工作时，水流经过导水机构的引导与控制，流入转轮室，转轮室中转叶片在水流压力的驱动下带动转叶片和环形旋转罩共同转动，环形旋转罩的转动驱动发电励磁绕组和励磁机励磁绕组的转动，励磁机励磁绕组在转动时，切割第一励磁机电枢绕组和第二励磁机电枢绕组，产生交流电输入到外界整流设备，外界整流设备经过整流后，通过导电刷导电到发电励磁绕组，使发电励磁绕组产生磁场，在发电励磁绕组在转动时切割第一发电电枢绕组和第二发电电枢绕组的线圈，使第一发电电枢绕组和第二发电电枢绕组输出电流。

有益效果：本发明所述的立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，相对于现有水轮发电装置，由于其发电机构和励磁机构安装在环形旋转罩与环形固定罩内，发电工作过程产生的废热可直接通过环形旋转罩与环形固定罩散热到水流中，有效的省去了专门的冷确散热系统；而且，由于发电励磁绕组安装在环形旋转罩，环形旋转罩中空通水，同级别的发电功率下，其体积相对较小，表面积比较大，散热速率块，其发电励磁绕组可直接通过环形旋转罩导热到外界，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，其发电机构废热可直接散热到水流中，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，由于转轮机构与发电机构、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。

此外，由于发电机励磁绕组的两个磁极的磁通量均被利用于切割发电机电枢绕组，在同等励磁电流下，励磁效率相对传统励磁方式提高一倍。

另外，由于转叶片和环形旋转罩在水压驱动下，与水流共同旋动，其转轮室也共同与水流旋动，这种结构方式，其水流与环形旋转罩摩擦耗能较小，空化系数较小，转换效率能得到提高；本发明所述的立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机的较高稳定效率可达95%。

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为本发明方案一的发电机构所在平面的水平剖视结构示意图；

图3为本发明方案二的垂直剖视结构示意图；

图4为本发明方案二中折形离心甩水边环结构放大示意图；

图5为本发明方案三中折形离心甩水边环结构放大示意图；

图中：1为发电机构、11为发电励磁绕组、12为第一发电电枢绕组、13为第二发电电枢绕组、2为励磁机构、21为励磁机励磁绕组、22为第一励磁机电枢绕组、23为第二励磁机电枢绕组、3为转轮机构、31为转叶片、311为转叶调节机构、312为活动转轴、32为环形旋转罩、33为环形固定罩、34为密封轴承、35为环形空腔、36为陶瓷密封轴承、37为折形离心甩水边环、38为树脂耐磨环、4为尾水管、5为导水机构、6为转轮室、7为导电刷。

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和图2所示）：一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，包括发电机构1、励磁机构2、转轮机构3和尾水管4；转轮机构3包括转叶片31、环形旋转罩32、环形固定罩33和转叶调节机构311，转叶调节机构311呈环管形，转叶片31的外径侧边通过活动转轴312安装在转叶调节机构311的内侧，转叶调节机构311固定安装在环形旋转罩32内侧，环形旋转罩32与环形固定罩33通过密封轴承34连接构成封闭的环形空腔35，励磁机构2与发电机构1同轴上、下层并列安装在环形空腔35内；尾水管4与环形固定罩33同轴线固定连接，导水机构5与环形固定罩33水平同轴线固定连接，导水机构5位于环形固定罩33的前侧，转轮室6为环形旋转罩32所围空腔，导水机构5、转轮室6和尾水管4共同形成封闭水流通道；所述发电机构1包括发电励磁绕组11、发电电枢绕组12和发电电枢绕组13，所述励磁机构2包括励磁机励磁绕组21、第一励磁机电枢绕组22和第二励磁机电枢绕组23；第一发电电枢绕组12、发电励磁绕组11和第二发电电枢绕组13同轴外、中、内层分布；发电励磁绕组11和励磁机励磁绕组21同轴安装在环形旋转罩32的中部，发电励磁绕组11位于励磁机励磁绕组21的上方；第一发电电枢绕组12和第一励磁机电枢绕组22同轴上、下层安装在环形固定罩33内的外径侧；第二发电电枢绕组13和第二励磁机电枢绕组23同轴上、下层安装在环形固定罩33内的内径侧；环形旋转罩32与环形固定罩33的连接间隙处设置有导电刷7，导电刷7用于导电连接外界整流设备与发电励磁绕组11；为了减小环形旋转罩32受到的摩擦，同时提高其密封性，所述尾水管4和引导机构5与环形旋转罩32的间隙部位设置陶瓷密封轴承36。。

上述实施方案中，所述立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机做功过程中，其转轮室6与水流共同旋转带动发电机构做功。

通过上述方案一实施方式，所述立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机的稳定效率可达95%，相比传统的轴流式水轮发电机，效率提高6%左右。

方案二（如图3和图4所示）：与方案一不同之处在于：为了具有更好的防水性能，所述环形旋转罩32与环形固定罩33连接边角处设置有相互配合的折形离心甩水边环37，折形离心甩水边环37的间隙口沿径向朝外。

方案三（如图5所示）：与方案一不同之处在于：为了更好的增强折形离心甩水边环37的甩水效果和耐磨性，所述折形离心甩水边环37内还安装有树脂耐磨环38。

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)

1.一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，包括发电机构(1)、励磁机构(2)、转轮机构(3)、尾水管(4)、导水机构(5)和转轮室(6)，其特征在于：转轮机构(3)包括转叶片(31)、环形旋转罩(32)、环形固定罩(33)和转叶调节机构(311)，转叶调节机构(311)呈环管形，转叶片(31)的外径侧边通过活动转轴(312)安装在转叶调节机构(311)的内侧，转叶调节机构(311)固定安装在环形旋转罩(32)内侧，环形旋转罩(32)与环形固定罩(33)同轴通过密封轴承(34)连接构成封闭的环形空腔(35)，发电机构(1)与励磁机构(2)同轴上下并列安装在环形空腔(35)内，尾水管(4)与环形固定罩(33)同轴密封连接，尾水管(4)位于环形固定罩(33)的下方，导水机构(5)与环形固定罩(33)同轴线固定连接，导水机构(5)位于环形固定罩(33)的上方，转轮室(6)为环形旋转罩(32)所围空腔，导水机构(5)、转轮室(6)和尾水管(4)共同形成封闭水流通道，发电机构(1)包括发电励磁绕组(11)、第一发电电枢绕组(12)和第二发电电枢绕组(13)，励磁机构(2)包括励磁机励磁绕组(21)、第一励磁机电枢绕组(22)和第二励磁机电枢绕组(23)，第一发电电枢绕组(12)、发电励磁绕组(11)和第二发电电枢绕组(13)同轴外、中、内层分布，发电励磁绕组(11)和励磁机励磁绕组(21)同轴安装在环形旋转罩(32)的中部，发电励磁绕组(11)位于励磁机励磁绕组(21)的上方，第一发电电枢绕组(12)和第一励磁机电枢绕组(22)同轴上、下层安装在环形固定罩(33)内的外径侧，第二发电电枢绕组(13)和第二励磁机电枢绕组(23)同轴上、下层安装在环形固定罩(33)内的内径侧。

2. 根据权利要求1所述的立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，其特征在于：所述环形旋转罩(32)与环形固定罩(33)的连接间隙处设置有导电刷(7)，导电刷(7)用于励磁电流的输入和感生电流的输出。

3. 根据权利要求2所述的立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，其特征在于：所述环形旋转罩(32)与引导机构(5)的间隙部位均设置有陶瓷密封轴承(36)。

4. 根据权利要求3所述的立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，其特征在于：所述环形旋转罩(32)与环形固定罩(33)边角连接处设置有相互配合的折形离心甩水边环(37)，折形离心甩水边环(37)的间隙口沿径向朝外。

5. 根据权利要求4所述的立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机，其特征在于：所述折形离心甩水边环(37)内还安装有树脂耐磨环(38)。

6. 一种立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机的做功方法，其特征在于：立式环装高效励磁转桨轴流式水轮发电机的转轮室(6)与水流共同旋转带动发电机构(1)做功。