CN106014833A - 一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，包括第一电枢机构、第二电枢机构、励磁机构、密封罩体机构、尾水管、导叶机构、第一转轮、第二转轮和蜗壳，蜗壳、导叶机构、第一转轮、第二转轮和尾水管依次构成水流通道，密封罩体机构包括第一旋转罩和第二旋转罩，第一旋转罩和第二旋转罩同轴连接构成封闭的环形空腔,第一电枢机构、励磁机构和第二电枢机构依次同轴内、中、外层并列安装在环形空腔内，励磁机构安装在第一旋转罩内的中部，第一电枢机构安装第二旋转罩内的内径侧，第二电枢机构安装在第二旋转罩内的外径侧；本发明所述双转子环装高效励磁混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

一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机
技术领域
本发明涉及水电设备领域，尤其涉及一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机。
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，水流径向进入导叶机构，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）励磁绕组的励磁效率低。
为解决其技术问题本发明所采用的技术方案为：一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，包括第一电枢机构、第二电枢机构、励磁机构、密封罩体机构、尾水管、导叶机构、第一转轮、第二转轮和蜗壳；蜗壳、导叶机构、第一转轮、第二转轮和尾水管依次构成水流通道；
其特征在于：密封罩体机构包括第一旋转罩和第二旋转罩，第一旋转罩与第二旋转罩同轴通过密封轴承连接构成封闭的环形空腔,第一旋转罩与第二旋转罩分别位于上、下层；
第一电枢机构、励磁机构和第二电枢机构依次同轴内、中、外层并列安装在环形空腔内；
励磁机构安装在第一旋转罩内的中部，第一电枢机构安装第二旋转罩内的内径侧，第二电枢机构安装在第二旋转罩内的外径侧；
第一电枢机构包括第一电枢绕组和第二电枢绕组，第一电枢绕组和第二电枢绕组同轴上、下层并列环形分布在第二旋转罩内的内径侧；
第二电枢机构包括第三电枢绕组和第四电枢绕组，第三电枢绕组和第四电枢绕组同轴上、下层并列环形分布在第二旋转罩内的外径侧；
励磁机构包括第一励磁绕组和第二励磁绕组，第一励磁绕组与第二励磁绕组同轴上、下层环形分布在第一旋转罩内的中部；
第一转轮的下环外圆周固定连接第一旋转罩内圆周，第二转轮的外圆周固定连接第二旋转罩的内圆周，第二旋转罩的下方通过支撑轴承安装在尾水管上端部；
第一转轮的叶片轴向角与第二转轮的叶片轴向角相反，第一转轮与第二转轮受到的水流推力力矩相反。
作为进一步优化说明，所述第一旋转罩与第二旋转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。
作为进一步优化，所述尾水管和导叶机构与第一旋转罩的间隙部位设置陶瓷密封轴承；该种结构可提高环形空腔的密封性，改善密封轴承的工作环境，减小密封轴承的受力负荷，减小第二旋转罩与第一旋转罩的摩擦。
作为进一步优化，为了具有更好的防水性能，所述第一旋转罩与第二旋转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。
工作原理：该发明所述双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，工作时，水流经过导叶机构的引导与控制，流入第一转轮，第一转轮在水流压力的驱动下带动第一旋转罩共同转动，同时，水流流经第一转轮后，再流入第二转轮，第二转轮在水流压力作用下带动第二旋转罩以反方向旋转，第一励磁绕组和第二励磁绕组的上端磁极分别切割第一电枢绕组和第二电枢绕组的线圈，第一励磁绕组和第二励磁绕组的下端磁极分别切割第三电枢绕组和第四电枢绕组，第一电枢绕组和第三电枢绕组的电流用于励磁供电，第二电枢绕组和第四电枢绕组用于输出。
本发明所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，由于其电枢机构和励磁机构直接通过密封罩体机构安装在尾水管和转轮之间，发电工作过程产生的废热可直接通过第一旋转罩与第二旋转罩散热到水流中，有效的省去了专门的冷确散热系统。
本发明所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，相对于常规发电机的转子结构模式，在散热方面，其热量传导无需通过转子与定子间的隔空层，其电枢机构和励磁机构废热可直接散热到水流中，相比现有的发电机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；在能效能方面，其水流排出速率小，水能转化率高；在励磁效能方面，由于发电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。
有益效果：本发明所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，有效的省去了常规的冷确散热系统，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，由于电枢机构、励磁机构与转轮的一体化，动力传动无需通过传动轴部件传动，本发明所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机能有效的避免传动轴偏心问题和轴承摩擦耗能问题，简化水轮发电装置的结构，降低材料要求，较大程度地缩小设备体积，增强设备的通用性，减少电站建设成本与生产管理成本。
此外，本发明所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机具有较高的传动效率，其水轮机发电机的稳定效率可达95%以上，且励磁效率高。
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A-A剖面水平剖视结构示意图；
图3为本发明方案一的B-B剖面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；
图中：1a为第一电枢机构、11a为第一电枢绕组、12a为第二电枢绕组、1b为第二电枢机构、11b为第三电枢绕组、12b为第四电枢绕组、2为励磁机构、21为第一励磁绕组、22为第二励磁绕组、3为密封罩体机构、31为第一旋转罩、32为第二旋转罩、33为密封轴承、34为环形空腔、35为陶瓷密封轴承、36为折形离心甩水边环、37为树脂耐磨环、4为尾水管、5为导叶机构、6a为第一转轮、6b为第二转轮、7为蜗壳、8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、图2、图3和图4所示）：一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，包括第一电枢机构1a、第二电枢机构1b、励磁机构2、密封罩体机构3、尾水管4、导叶机构5、第一转轮6a、第二转轮6b和蜗壳7；蜗壳7、导叶机构5、第一转轮6a、第二转轮6b和尾水管4依次构成水流通道；
密封罩体机构3包括第一旋转罩31和第二旋转罩32，第一旋转罩31与第二旋转罩32同轴通过密封轴承33连接构成封闭的环形空腔34,第一旋转罩31与第二旋转罩32分别位于上、下层；
第一电枢机构1a、励磁机构2和第二电枢机构1b依次同轴内、中、外层并列安装在环形空腔34内；
励磁机构2安装在第一旋转罩31内的中部，第一电枢机构1a安装第二旋转罩32内的内径侧，第二电枢机构1b安装在第二旋转罩32内的外径侧；
第一电枢机构1a包括第一电枢绕组11a和第二电枢绕组12a，第一电枢绕组11a和第二电枢绕组12a同轴上、下层并列环形分布在第二旋转罩32内的内径侧；
第二电枢机构1b包括第三电枢绕组11b和第四电枢绕组12b，第三电枢绕组11b和第四电枢绕组12b同轴上、下层并列环形分布在第二旋转罩32内的外径侧；
励磁机构2包括第一励磁绕组21和第二励磁绕组22，第一励磁绕组21与第二励磁绕组22同轴上、下层环形分布在第一旋转罩31内的中部；
第一转轮6a的下环外圆周固定连接第一旋转罩31内圆周，第二转轮6b的外圆周固定连接第二旋转罩32的下部内圆周，第二旋转罩32的下方通过支撑轴承安装在尾水管4上端部；
第一转轮6a的叶片轴向角与第二转轮6b的叶片轴向角相反，第一转轮6a与第二转轮6b受到的水流推力力矩相反；
第一旋转罩32与第二旋转罩33的连接间隙处设置有导电刷8，导电刷8用于导电连接外界整流设备与励磁机构2。
作为进一步说明，为了减小第一旋转罩32受到的摩擦，同时提高其密封性，所述导叶机构5与第一旋转罩32的间隙部位设置陶瓷密封轴承35。
通过上述方案一实施方式，所述双转子环装高效励磁混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7%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，所述第一旋转罩32与第二旋转罩33连接边角处设置有相互配合的折形离心甩水边环36，折形离心甩水边环36的间隙口沿径向朝外。
方案三（如图6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36的甩水效果和耐磨性，所述折形离心甩水边环36内还安装有树脂耐磨环37。
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 (5)

1.一种双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，包括第一电枢机构(1a)、第二电枢机构(1b)、励磁机构(2)、密封罩体机构(3)、尾水管(4)、导叶机构(5)、第一转轮(6a)、第二转轮(6b)和蜗壳(7),蜗壳(7)、导叶机构(5)、第一转轮(6a)、第二转轮(6b)和尾水管(4)依次构成水流通道，其特征在于：密封罩体机构(3)包括第一旋转罩(31)和第二旋转罩(32)，第一旋转罩(31)与第二旋转罩(32)同轴通过密封轴承(33)连接构成封闭的环形空腔(34),第一旋转罩(31)与第二旋转罩(32)分别位于上、下层，第一电枢机构(1a)、励磁机构(2)和第二电枢机构(1b)依次同轴内、中、外层并列安装在环形空腔(34)内，励磁机构(2)安装在第一旋转罩(31)内的中部，第一电枢机构(1a)安装第二旋转罩(32)内的内径侧，第二电枢机构(1b)安装在第二旋转罩(32)内的外径侧，第一电枢机构(1a)包括第一电枢绕组(11a)和第二电枢绕组(12a)，第一电枢绕组(11a)和第二电枢绕组(12a)同轴上、下层并列环形分布在第二旋转罩(32)内的内径侧，第二电枢机构(1b)包括第三电枢绕组(11b)和第四电枢绕组(12b)，第三电枢绕组(11b)和第四电枢绕组(12b)同轴上、下层并列环形分布在第二旋转罩(32)内的外径侧，励磁机构(2)包括第一励磁绕组(21)和第二励磁绕组(22)，第一励磁绕组(21)与第二励磁绕组(22)同轴上、下层环形分布在第一旋转罩(31)内的中部，第一转轮(6a)的下环外圆周固定连接第一旋转罩(31)内圆周，第二转轮(6b)的外圆周固定连接第二旋转罩（32）的内圆周，第二旋转罩（32）的下方通过支撑轴承安装在尾水管(4）上端部，第一转轮(6a)的叶片轴向角与第二转轮(6b)的叶片轴向角相反，第一转轮(6a)与第二转轮(6b)受到的水流推力力矩相反。
2. 根据权利要求1所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，其特征在于：所述第一旋转罩(31)与第二旋转罩(32)的连接间隙处设置有导电刷(8)。
3. 根据权利要求2所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，其特征在于：所述第一旋转罩(31)与尾水管(4)的间隙部位、以及第一旋转罩(31)与导叶机构(5)的间隙部位均设置有陶瓷密封轴承(35)。
4. 根据权利要求3所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，其特征在于：所述第一旋转罩(31)与第二旋转罩(32)边角连接处设置有相互配合的折形离心甩水边环(36)，折形离心甩水边环(36)的间隙口沿径向朝外。
5. 根据权利要求4所述的双转子环装高效励磁混流式水轮发电机，其特征在于：所述折形离心甩水边环(36)内还安装有树脂耐磨环(37)。
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