CN106014834A - 一种高效正装水斗式水轮发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效正装水斗式水轮发电机，包括转子机构、定子机构、转轮机构、固定主轴和喷管,转轮机构包括水斗和轮盘，轮盘中空，水斗分布在轮盘外圆周，轮盘的内圆周固定安装转子机构外圆周，定子机构与转子机构同轴内、外间隔，定子机构中心固定安装在固定主轴上，喷管安装在水斗径向外侧；本发明所述高效正装水斗式水轮发电机无需通风系统或冷却水系统，且所需耗材少，通用性好，体积小，材料要求低，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及水电设备领域，尤其涉及一种高效正装水斗式水轮发电机。
背景技术
水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，用于带动发电机发电。水轮机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。
冲击式水轮机按水流的流向可分为切击式(又称水斗式)和斜击式两类。
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。
目前冲击式水轮机中应用最广泛是切击式水轮机（也称水斗式水轮机）；理论分析证明，当水斗节圆处的圆周速度约为射流速度的一半时，效率最高。这种水轮机在负荷发生变化时，转轮的进水速度方向不变，加之这类水轮机都用于高水头电站，水头变化相对较小，速度变化不大，因而效率受负荷变化的影响较小，效率曲线比较平缓，最高效率超过91%。
然而，现有的水轮发电机均是由分离的水轮机和发电机组成，水轮机需通过主轴、转动轴等部件连接发电机，水轮机和发电机的结构至少需要三个轴承，个别型号还需要用到结构复杂、造价昂贵的接力器；且由于发电机在工作过程中会产生大量的废热，需要设计通风或冷却系统给发电机散热；另外，由于现有的发电机的定子、转子、凸极所需的耐热性较大，其定子、转子、凸极材料强度要求高；此外，现有的水轮发电机采用水轮、发电机、励磁机串联式连接结构，造成体积巨大，需要材料多，成本、造价高。
发明内容
本发明旨在提供一种无需通风系统或冷却水系统的水斗式水轮发电机；同时，该水斗式水轮发电机所需轴承少，其定子、转子可采用常规制造，能实时测量转子温度，原材料能够通用，能够批量生产，体积较小，造价较低。
本发明提供的技术方案是：一种高效正装水斗式水轮发电机，包括转子机构、定子机构、转轮机构、固定主轴和喷管；
其特征在于：转轮机构包括水斗和轮盘，轮盘中空，水斗分布在轮盘外圆周，轮盘的内圆周固定安装转子机构外圆周，定子机构与转子机构同轴内、外间隔，定子机构中心固定安装在固定主轴上，喷管安装在水斗径向外侧；
转子机构包括转子铁芯、第一转子齿、第二转子齿、第一电枢绕组和第二电枢绕组，转子铁芯内圆周同轴前后并列嵌有第一转子齿和第二转子齿，第一转子齿和第二转子齿的侧边分别缠绕有第一电枢绕组和第二电枢绕组；
定子机构包括定子铁芯、第一定子齿、第二定子齿、第一励磁绕组和第二励磁绕组，定子铁芯外圆周同轴前后并列嵌有第一定子齿和第二定子齿，第一定子齿和第二定子齿的侧边分别缠绕有第一励磁绕组和第二励磁绕组；
转子铁芯外圆周固定连接转轮机构的轮盘内圆周；
定子铁芯中心固定连接固定主轴；
转子机构的第一转子齿和第二转子齿分别围绕定子机构的第一定子齿和第二定子齿旋转；
转子铁芯前后两侧安装有密封罩面，密封罩面内径边通过密封轴承安装在固定主轴上。
作为进一步优化，为了简化励磁供电，减少外接电导线，所述第一定子齿与第一励磁绕组可通过永磁凸子替代。
作为进一步优化，为了便于监测转子机构的温度，转子机构的第一转子齿或第二转子齿的内芯安装有温度感应管。
作为进一步优化，为了减小转子机构中转子铁芯、第一转子齿和第二转子齿的磁感涡流产热，以及减小定子机构中定子铁芯、第一定子齿和第二定子齿的磁感涡流产热，所述转子机构中转子铁芯、第一转子齿和第二转子齿均由冲压的硅钢片叠成，所述定子机构中定子铁芯、第一定子齿和第二定子齿均由冲压的硅钢片叠成。
作为进一步优化，为了减少定子机构中定子铁芯与第一定子齿和第二定子齿之间励磁磁通泄漏，所述定子铁芯与第一定子齿和第二定子齿由连体的硅钢片叠成。
作为进一步优化，为了便于转子机构中第一电枢绕组和第二电枢绕组的安装或容量扩充，所述第一转子齿和第二转子齿与转子铁芯之间的连接采取活动可拆装连接；如在转子铁芯内圆周均匀设置卡槽，并将第一转子齿或第二转子齿安装在卡槽内。
作为进一步优化，所述水斗的工作面为单勺形或双勺形或多勺形。
工作原理：本发明所述高效正装水斗式水轮发电机，工作时，水流从喷管射出，冲击到水斗，水斗受到水流冲击力获得推力，并带动轮盘转动，该过程的实质是从水流中获取动能；轮盘转动时，带动转子铁芯转动，并使转子机构中的第一电枢绕组和第二电枢绕组分别切割定子机构中的第一励磁绕组和第二励磁绕组产生的磁场，使第一电枢绕组和第二电枢绕组产生感应电压。其中，第一电枢绕组的感应电压用于输入第二励磁绕组，产生较强的励磁磁场，第二电枢绕组的感应电压用于输出到外界。
本发明所述高效正装水斗式水轮发电机，将传统的转轮装置、发电机装置与励磁装置实现了一体化，使发电机装置和励磁装置的转子机构产热可直接通过轮盘和转叶散热到水流中，可省去常规发电装置中的通风系统或冷却水系统；同时，由于其具备散热性好的突出效果，其定子、转子材料的耐热性、导热性、热形变性的要求降低，可采用常规制造。
此外，本发明所述高效正装水斗式水轮发电机，由于其转轮装置、发电机装置与励磁装置的一体化，动力传动无需通过传动轴部件传动，不仅能减少轴承使用，同时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，并提高能量转化效率；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。
本发明所述高效正装水斗式水轮发电机，其第一励磁绕组和第二励磁绕组位于中部，固定在定子机构中，第一电枢绕组和第二电枢绕组位于外部，安装在转子机构中，围绕第一励磁绕组和第二励磁绕组旋转，该种结构分布与现有常规发电机中电枢绕组与励磁绕组的分布相同，也即正装结构模式，但与常规发电机中转子与定子的分布相反，也即反转结构模式；本发明所述高效正装水斗式水轮发电机的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；同时，本发明所述高效正装水斗式水轮发电机具有较大的扭力。
有益效果：本发明所述的高效正装水斗式水轮发电机具有如下优点：1.制造、安装成本低，2.省去了常规的通风、冷却系统，3.能规模化批量生产（常规水轮发电机是定制），4.体积节省60%以上，5.成本相对常规水电站设计节省50%，6.转轮效率提高7%以上；7.定子、转子钢材强度要求降低，能采用常规材料制造，8.节省多个轴承和传动轴。
附图说明
图1为本发明方案一的垂直纵向剖视结构示意图；
图2为本发明方案一的垂直横向剖视结构示意图；
图3为本发明方案五的水斗放大结构示意图；
图4为本发明方案六的水斗放大结构示意图；
图中：1为转子机构、11为转子铁芯、12为第一转子齿、13为第二转子齿、14为第一电枢绕组、15为第二电枢绕组、2为定子机构、21为定子铁芯、22为第一定子齿、23为第二定子齿、24为第一励磁绕组、25为第二励磁绕组、3为转轮机构、31为水斗、32为轮盘、4为固定主轴、5为喷管、6为密封罩面、7为密封轴承、8为温度感应管。
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）：一种高效正装水斗式水轮发电机，包括转子机构1、定子机构2、转轮机构3、固定主轴4和喷管5；
转轮机构3包括水斗31和轮盘32，轮盘32中空，水斗31分布在轮盘32外圆周，轮盘32的内圆周固定安装转子机构1外圆周，定子机构2与转子机构1同轴内、外间隔，定子机构2中心固定安装在固定主轴4上，喷管5安装在水斗31径向外侧；
转子机构1包括转子铁芯11、第一转子齿12、第二转子齿13、第一电枢绕组14和第二电枢绕组15，转子铁芯11内圆周同轴前后并列嵌有第一转子齿12和第二转子齿13，第一转子齿12和第二转子齿13的侧边分别缠绕有第一电枢绕组14和第二电枢绕组15；
定子机构2包括定子铁芯21、第一定子齿22、第二定子齿23、第一励磁绕组24和第二励磁绕组25，定子铁芯21外圆周同轴前后并列嵌有第一定子齿22和第二定子齿23，第一定子齿22和第二定子齿23的侧边分别缠绕有第一励磁绕组24和第二励磁绕组25；
转子铁芯11外圆周固定连接转轮机构3的轮盘32内圆周；定子铁芯21中心固定连接固定主轴4；转子机构1的第一转子齿12和第二转子齿13分别围绕定子机构2的第一定子齿22和第二定子齿23旋转；转子铁芯11前后两侧安装有密封罩面6，密封罩面6内径边通过密封轴承7安装在固定主轴4上。
作为上述实施方式的具体优化，所述转子机构1中转子铁芯11、第一转子齿12和第二转子齿13均由冲压的硅钢片叠成，所述定子机构2中定子铁芯21、第一定子齿22和第二定子齿23均由冲压的硅钢片叠成；所述定子铁芯21与第一定子齿22和第二定子齿23由连体的硅钢片叠成；采用上述优化结构，能减小转子机构1中转子铁芯11、第一转子齿12和第二转子齿13的磁感涡流产热，以及减小定子机构2中定子铁芯21、第一定子齿22和第二定子齿23的磁感涡流产热；同时也能减少定子机构2中定子铁芯21与第一定子齿22和第二定子齿23之间励磁磁通泄漏。
作为上述实施方式的具体优化，所述水斗31的工作面为双勺形；双勺形水斗的使用广泛，具有较好的水能转化效率。
通过上述方案一实施方式，所述高效正装水斗式水轮发电机的稳定效率可达93%，相比常规的水斗式水轮发电机，效率提高7%左右。
方案二：与方案一不同之处在于：所述第一定子齿22与第一励磁绕组24可通过永磁凸子替代；该种结构可简化励磁供电，减少外接电导线。
方案三：与方案一不同之处在于：所述转子机构1的第一转子齿12或第二转子齿13的内芯安装有温度感应管8，便于监测转子机构1的温度，当出现温度异常时可及时检测。
方案四：与方案一不同之处在于：所述第一转子齿12和第二转子齿13与转子铁芯11之间的连接采取活动可拆装连接，转子铁芯11内圆周均匀设置卡槽，并将第一转子齿12或第二转子齿13安装在卡槽内，该种结构便于转子机构1中第一电枢绕组14和第二电枢绕组15的安装或容量扩充。
方案五：与方案一不同之处在于：所述水斗31的工作面为单勺形；单勺形水斗31结构简单，制造成本低。
方案六：与方案一不同之处在于：所述水斗31的工作面为三勺形；三勺形水斗31适合宽面喷射水柱。
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)
1.一种高效正装水斗式水轮发电机，包括转子机构(1)、定子机构(2)、转轮机构(3)、固定主轴(4)和喷管(5)，其特征在于：转轮机构(3)包括水斗(31)和轮盘(32)，轮盘(32)中空，水斗(31)分布在轮盘(32)外圆周，轮盘(32)的内圆周固定安装转子机构(1)外圆周，定子机构(2)与转子机构(1)同轴内、外间隔，定子机构(2)中心固定安装在固定主轴(4)上，喷管(5)安装在水斗(31)径向外侧，转子机构(1)包括转子铁芯(11)、第一转子齿(12)、第二转子齿(13)、第一电枢绕组(14)和第二电枢绕组(15)，转子铁芯(11)内圆周同轴前后并列嵌有第一转子齿(12)和第二转子齿(13)，第一转子齿(12)和第二转子齿(13)的侧边分别缠绕有第一电枢绕组(14)和第二电枢绕组(15)，定子机构(2)包括定子铁芯(21)、第一定子齿(22)、第二定子齿(23)、第一励磁绕组(24)和第二励磁绕组(25)，定子铁芯(21)外圆周同轴前后并列嵌有第一定子齿(22)和第二定子齿(23)，第一定子齿(22)和第二定子齿(23)的侧边分别缠绕有第一励磁绕组(24)和第二励磁绕组(25)，转子铁芯(11)外圆周固定连接转轮机构(3)的轮盘(32)内圆周，定子铁芯(21)中心固定连接固定主轴(4)，转子机构(1)的第一转子齿(12)和第二转子齿(13)分别围绕定子机构(2)的第一定子齿(22)和第二定子齿(23)旋转，转子铁芯(11)前后两侧安装有密封罩面(6)，密封罩面(6)内径边通过密封轴承(7)安装在固定主轴(4)上。
2. 根据权利要求1所述的高效正装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述第一定子齿（22)与第一励磁绕组（24)可通过永磁凸子替代。
3. 根据权利要求1所述的高效正装水斗式水轮发电机，其特征在于：转子机构（1)的第一转子齿（12)或第二转子齿（13)的内芯安装有温度感应管（8)。
4. 根据权利要求1所述的高效正装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述转子机构（1)中转子铁芯（11)、第一转子齿（12)和第二转子齿（13)均由冲压的硅钢片叠成，所述定子机构（2)中定子铁芯（21)、第一定子齿（22)和第二定子齿（23)均由冲压的硅钢片叠成。
5. 根据权利要求1所述的高效正装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述定子铁芯（21)与第一定子齿（22)和第二定子齿（23)由连体的硅钢片叠成。
6. 根据权利要求1所述的高效正装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述第一转子齿（12)和第二转子齿（13)与转子铁芯（11)之间的连接采取活动可拆装连接。
7. 根据权利要求1所述的高效正装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述水斗(31)的工作面为单勺形或双勺形或多勺形。
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|---|---|---|---|---|
| CN106593746A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-04-26 | 成都天府新区河川科技有限公司 | 一种叶片及水能机 |
| CN109209736A (zh) * | 2018-11-05 | 2019-01-15 | 张家界天成机电设备制造有限公司 | 一种复合型高效水轮机 |
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2016
- 2016-06-25 CN CN201610469075.3A patent/CN106014834A/zh not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106593746A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-04-26 | 成都天府新区河川科技有限公司 | 一种叶片及水能机 |
| CN109209736A (zh) * | 2018-11-05 | 2019-01-15 | 张家界天成机电设备制造有限公司 | 一种复合型高效水轮机 |
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