CN106014821A - 一种悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机及其做功方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机及其做功方法，其悬吊式高效励磁平装中通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、环形旋转内罩和环形固定外罩，斜击叶片环形分布在环形旋转内罩内侧，环形旋转内罩与环形固定外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内外并列安装在环形空腔内，环形固定外罩固定安装在悬吊臂上；本发明所述悬吊式高效励磁平装中通斜击式水轮发电机寿命长，建设成本与生产管理成本较低，通用性较好，动能转化效率高。

Description

一种悬吊式高效平装中通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，尤其涉及一种悬吊式高效平装中通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）现有斜击式水轮机，由于在水流动能利用上存在较大的水流动能余留，水流动能的利用率相对较低，现阶段，斜击式水轮机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；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。

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：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）现有斜击式水轮机的效率仅在80%至84%，普遍偏低；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）励磁磁场利用效率低。

为解决其技术问题本发明所采用的技术方案为：一种悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，包括发电机构、励磁机构、斜击叶轮机构、悬吊臂和喷嘴；

其特征在于：斜击叶轮机构包括斜击叶片、环形旋转内罩和环形固定外罩，斜击叶片扇形分布在环形旋转内罩内侧，环形旋转内罩与环形固定外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内外并列安装在环形空腔内，环形固定外罩固定安装在多个悬吊臂上，喷嘴安装在斜击叶片上方；

所述发电机构包括发电励磁绕组、第一发电电枢绕组和第二发电电枢绕组，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上、中、下层分布；

发电励磁绕组和励磁机励磁绕组同轴安装在环形旋转内罩的中部，发电励磁绕组位于励磁机励磁绕组的外侧；

第一励磁机电枢绕组和第一发电电枢绕组同轴内、外侧安装在环形固定外罩内的上侧面；

第二励磁机电枢绕组和第二发电电枢绕组同轴内、外侧安装在环形固定外罩内的下侧面。

环形旋转内罩与环形固定外罩的连接间隙处设置有导电刷，导电刷用于导电连接电枢输出电流与励磁输入电流。

作为进一步优化，为了减小密封轴承的摩擦损耗，所述密封轴承的内侧还设置有支撑轴承。

作为进一步优化，为了具有更好的防水性能，所述环形旋转内罩与环形固定外罩边角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。

作为进一步说明，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°。

基于上述所述实施方案，其悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机的做功方法为：所述悬吊式高效励磁平装中通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8%至14%，其动能转化效率可达86%至92%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定动能转化效率提高6%至12%左右。

工作原理：该发明所述悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，工作时，喷嘴向斜击叶片喷射水流，驱动斜击叶片和环形旋转内罩转动，并直接带动发电励磁绕组和励磁机励磁绕组转动，励磁机励磁绕组在转动时，切割第一励磁机电枢绕组与第二励磁机电枢绕组的线圈，产生交流电，输出到外界的整流设备，外界的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与第二发电电枢绕组的线圈，使发电电枢绕组输出电流。

该悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，由于发电机构和励磁机构安装在环形旋转内罩与环形固定外罩内，发电工作过程产生的废热可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，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。

有益效果：本发明所述的悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，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，能有效的避免传动轴偏心问题；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通过斜击叶片散热到水流中，能有效避免烧毁机芯的问题，增长设备的使用寿命。

另外，本发明所述的悬吊式高效平装斜击式水轮发电机大大简化了水轮发电装置的结构和材料，设备被一体化，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。

附图说明

图1为本发明方案一的俯视结构示意图；

图2为本发明方案一的励磁绕组所在平面的水平剖视结构示意图；

图3为本发明方案一的电枢绕组所在平面的水平剖视结构示意图；

图4为本发明方案一的垂直横向剖视结构示意图；

图5为本发明方案二的垂直横向剖视结构示意图；

图6为本发明方案二中折形离心甩水边环结构放大示意图；

图7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为斜击叶轮机构、31为斜击叶片、32为环形旋转内罩、33为环形固定外罩、34为密封轴承、35为环形空腔、36为支撑轴承、37为折形离心甩水边环、38为树脂耐磨环、4为悬吊臂、5为导电刷、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）：一种悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，包括发电机构1、励磁机构2、斜击叶轮机构3和悬吊臂4；斜击叶轮机构3包括斜击叶片31、环形旋转内罩32和环形固定外罩33，斜击叶片31扇形分布在环形旋转内罩32内侧，环形旋转内罩32与环形固定外罩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同轴内外并列安装在环形空腔35内，悬吊臂4与环形固定外罩33同轴线固定连接；所述发电机构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同轴上、中、下层分布；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内罩32的中部，发电励磁绕组11位于励磁机励磁绕组21的外侧，第一励磁机电枢绕组22和第一发电电枢绕组12同轴内、外侧安装在环形固定外罩33内的上侧面，第二励磁机电枢绕组23和第二发电电枢绕组13同轴内、外侧安装在环形固定外罩33内的下侧面；环形旋转内罩32与环形固定外罩33的连接间隙处设置有导电刷5，导电刷5用于导电连接励磁供电和感生电流输出端；为了减小密封轴承34的摩擦损耗，所述密封轴承34的内侧还设置有支撑轴承36。

上述实施方案中悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机的做功方式为：喷嘴6与斜击叶片31分布面的倾角为20°，喷嘴6与斜击叶片31的径向方向的夹角呈45°。

通过上述方案一实施方式，所述悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机的稳定动能转化效率可达86%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定动能转化效率提高6%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，所述环形旋转内罩32与环形固定外罩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7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。

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°；采用该种结构方式，其稳定动能转化效率可达92%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定动能转化效率提高12%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°；采用该种结构方式，其稳定动能转化效率可达89%，相比传统斜击式水轮发电机的稳定动能转化效率提高9%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)

1.一种悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，包括发电机构(1)、励磁机构(2)、斜击叶轮机构(3)、悬吊臂(4)和喷嘴(6)，其特征在于：斜击叶轮机构(3)包括斜击叶片(31)、环形旋转内罩(32)和环形固定外罩(33)，斜击叶片(31)扇形分布在环形旋转内罩(32)内侧，环形旋转内罩(32)与环形固定外罩(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)同轴内外并列安装在环形空腔(35)内，环形固定外罩(33)上部固定悬吊在多个悬吊臂(4)上，喷嘴(6)安装在斜击叶片(31)上方，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)同轴上、中、下层分布，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内罩(32)的中部，发电励磁绕组(11)位于励磁机励磁绕组(21)的外侧，第一励磁机电枢绕组(22)和第一发电电枢绕组(12)同轴内、外侧安装在环形固定外罩(33)内的上侧面，第二励磁机电枢绕组(23)和第二发电电枢绕组(13)同轴内、外侧安装在环形固定外罩(33)内的下侧面。

2. 根据权利要求1所述的悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，其特征在于：所述环形旋转内罩(32)与环形固定外罩(33)的连接间隙处设置有导电刷(5)，导电刷(5)用于励磁电流的输入和感生电流的输出。

3. 根据权利要求1所述的悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，其特征在于：所述密封轴承(34)的内侧还设置有支撑轴承(36)。

4. 根据权利要求1所述的悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，其特征在于：所述环形旋转内罩(32)与环形固定外罩(33)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。

5. 根据权利要求4所述的悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，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. 根据权利要求1或2或3所述的悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机，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. 一种悬吊式高效平装中通斜击式水轮发电机的做功方法，其特征在于：所述悬吊式高效励磁平装中通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°。