CN106026574A - 一种双转子高效平装水斗式水轮发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双转子高效平装水斗式水轮发电机，包括第一转子机构、第二转子机构、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第一转子机构外圆周，第二转子机构与第一转子机构同轴内、外间隔，第二转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；本发明所述双转子高效平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

一种双转子高效平装水斗式水轮发电机

技术领域

本发明涉及水电设备领域，尤其涉及一种双转子高效平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：一种双转子高效平装水斗式水轮发电机，包括第一转子机构、第二转子机构、第一转轮机构、第二转轮机构、固定主轴、第一喷管和第二喷管；

其特征在于：第一转轮机构包括第一水斗和第一轮盘，第一水斗分布在第一轮盘外圆周，第一轮盘中部呈环槽型，第二转轮机构包括第二水斗和第二轮盘，第二水斗分布在第二轮盘外圆周，第二轮盘中部呈环槽型，第一轮盘与第二轮盘同轴前、后并列，并通过密封轴承安装在固定主轴，第一轮盘的外径侧与第二轮盘的外径侧通过密封轴承连接,第一轮盘与第二轮盘的中部环槽形成密封空腔，第一转子机构与第二转子机构同轴前、后平行安装在密封空腔内，第一转子机构固定在第一轮盘圆槽内底面，第二转子机构固定在第二轮盘圆槽内底面；

第一喷管安装在第一水斗径向外侧，第二喷管安装在第二水斗径向外侧；

第一转子机构包括励磁铁芯、第一励磁绕组和第二励磁绕组，励磁铁芯呈圆饼形，第一励磁绕组环形分布在励磁铁芯后侧圆面内环区，第二励磁绕组环形分布在励磁铁芯后侧圆面外环区，励磁铁芯的前侧面固定连接在第一轮盘圆槽内底面；

第二转子机构包括电枢铁芯、第一电枢绕组和第二电枢绕组，电枢铁芯呈圆饼形，第一电枢绕组环形分布在电枢铁芯前侧圆面内环区，第二电枢绕组环形分布在电枢铁芯前侧圆面外环区，电枢铁芯的后侧面固定连接在第二轮盘圆槽内底面；

第一励磁绕组和第二励磁绕组分别平对第一电枢绕组和第二电枢绕组，围绕其中心轴线相对转动。

作为进一步优化，为了能减小第一转子机构中励磁铁芯的磁感涡流产热，以及减小第二转子机构中电枢铁芯的磁感涡流产热，所述励磁铁芯或电枢铁芯均由冲压的硅钢片叠成。

作为进一步优化，所述第一励磁绕组可通过永磁凸子替代。

作为进一步优化，所述第一转子机构或第二转子机构的轴向侧边还设置有控制其转动性的离合卡齿。

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：本发明所述双转子高效平装水斗式水轮发电机，工作时，水流从第一喷管和第二喷管射出，分别冲击到第一水斗和第二水斗，第一水斗和第二水斗从水流冲击力获得推力，并带动第一轮盘和第二轮盘以相反的方向转动，第一轮盘与第二轮盘相对转动时，使第一转子机构中的第一励磁绕组和第二励磁绕组分别切割第二转子机构中的第一励磁绕组和第二励磁绕组产生的磁场，使第一励磁绕组和第二励磁绕组产生感应电压。其中，第一励磁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，第二励磁绕组的感应电压用于输出到外界。

本发明所述双转子高效平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第一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，并且可减少轴承使用，避免传动轴偏心问题和轴承摩擦耗能问题，较大程度的减少了制造耗材。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。

本发明所述双转子高效平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外部，第一励磁绕组和第二励磁绕组位于内部，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反，也即反装结构模式，该种结构的励磁绕组具有较大的分布面积，各励磁绕组端子产生的磁场相互影响较小，磁场强度分布振幅较大，具有较好的励磁效率。另外，本发明所述双转子高效平装水斗式水轮发电机采用双转子结构，其电枢绕组与励磁绕组的相对切割速度可大大提高，适于高压输出，其输出电压的调节范围大。

有益效果：本发明所述的双转子高效平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9%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，9.输出电压的调节范围大。

附图说明

图1为本发明方案一的垂直横向剖视结构示意图；

图2为本发明方案一中前部垂直纵向剖视结构示意图；

图3为本发明方案一中后部垂直纵向剖视结构示意图；

图4为本发明方案三的水斗放大结构示意图；

图5为本发明方案四的水斗放大结构示意图；

图6为本发明方案五的垂直纵向剖视结构示意图；

图中：1为第一转子机构、11为励磁铁芯、12为第一励磁绕组、13为第二励磁绕组、2为第二转子机构、21为电枢铁芯、22为第一电枢绕组、23为第二电枢绕组、3为第一转轮机构、31为第一水斗、32为第一轮盘、4为第二转轮机构、41为第二水斗、42为第二轮盘、5为固定主轴、6a为第一喷管、6b为第二喷管、7a为密封轴承、7b为密封轴承、8为密封空腔、9为离合卡齿。

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）：一种双转子高效平装水斗式水轮发电机，包括第一转子机构1、第二转子机构2、第一转轮机构3、第二转轮机构4、固定主轴5、第一喷管6a和第二喷管6b；

第一转轮机构3包括第一水斗31和第一轮盘32，第一水斗31分布在第一轮盘32外圆周，第一轮盘32中部呈环槽型；

第二转轮机构4包括第二水斗41和第二轮盘42，第二水斗41分布在第二轮盘42外圆周，第二轮盘42中部呈环槽型；

第一轮盘32与第二轮盘42同轴前、后并列，并通过密封轴承7a安装在固定主轴5，第一轮盘32的外径侧与第二轮盘42的外径侧通过密封轴承7b连接,第一轮盘32与第二轮盘42的中部环槽形成密封空腔8；

第一转子机构1与第二转子机构2同轴前、后平行安装在密封空腔8内，第一转子机构1固定在第一轮盘32圆槽内底面，第二转子机构2固定在第二轮盘42圆槽内底面；

第一喷管6a安装在第一水斗31径向外侧，第二喷管6b安装在第二水斗41径向外侧；

第一转子机构1包括励磁铁芯11、第一励磁绕组12和第二励磁绕组13，励磁铁芯11呈圆饼形，第一励磁绕组12环形分布在励磁铁芯11后侧圆面内环区，第二励磁绕组13环形分布在励磁铁芯11后侧圆面外环区，励磁铁芯11的前侧面固定连接在第一轮盘32圆槽内底面；

第二转子机构2包括电枢铁芯21、第一电枢绕组22和第二电枢绕组23，电枢铁芯21呈圆饼形，第一电枢绕组22环形分布在电枢铁芯21前侧圆面内环区，第二电枢绕组23环形分布在电枢铁芯21前侧圆面外环区，电枢铁芯21的后侧面固定连接在第二轮盘42圆槽内底面；

第一励磁绕组12和第二励磁绕组13分别平对第一电枢绕组22和第二电枢绕组23，围绕其中心轴线相对转动。

作为上述实施方式的具体优化，为了能减小第一转子机构1中励磁铁芯11的磁感涡流产热，以及减小第二转子机构2中电枢铁芯21的磁感涡流产热，所述励磁铁芯11和电枢铁芯21均由冲压的硅钢片叠成。

作为上述实施方式的具体说明，所述第一水斗31和第二水斗41的工作面均为双勺形。

通过上述方案一实施方式，所述双转子高效平装水斗式水轮发电机的稳定效率可达95%，相比常规的水斗式水轮发电机，效率提高9%左右。

方案二：与方案一不同之处在于：所述第一励磁绕组12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：所述水斗31的工作面为单勺形。

方案四：与方案一不同之处在于：所述水斗31的工作面为三勺形。

方案五：与方案一不同之处在于：所述第一转子机构1或第二转子机构2的轴向侧边还设置有控制其转动性的离合卡齿9；采用该结构可实现单边转动，也即可转换成常规单转子结构模式。

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)

1.一种双转子高效平装水斗式水轮发电机，包括第一转子机构(1)、第二转子机构(2)、第一转轮机构(3)、第二转轮机构(4)、固定主轴(5)、第一喷管(6a)和第二喷管(6b)，其特征在于：第一转轮机构(3)包括第一水斗(31)和第一轮盘(32)，第一水斗(31)分布在第一轮盘(32)外圆周，第一轮盘(32)中部呈环槽型，第二转轮机构(4)包括第二水斗(41)和第二轮盘(42)，第二水斗(41)分布在第二轮盘(42)外圆周，第二轮盘(42)中部呈环槽型，第一轮盘(32)与第二轮盘(42)同轴前、后并列，并通过密封轴承(7a)安装在固定主轴(5)，第一轮盘(32)的外径侧与第二轮盘(42)的外径侧通过密封轴承(7b)连接,第一轮盘(32)与第二轮盘(42)的中部环槽形成密封空腔(8)，第一转子机构(1)与第二转子机构(2)同轴前、后平行安装在密封空腔(8)内，第一转子机构(1)固定在第一轮盘(32)圆槽内底面，第二转子机构(2)固定在第二轮盘(42)圆槽内底面，第一喷管(6a)安装在第一水斗(31)径向外侧，第二喷管(6b)安装在第二水斗(41)径向外侧，第一转子机构(1)包括励磁铁芯(11)、第一励磁绕组(12)和第二励磁绕组(13)，励磁铁芯(11)呈圆饼形，第一励磁绕组(12)环形分布在励磁铁芯(11)后侧圆面内环区，第二励磁绕组(13)环形分布在励磁铁芯(11)后侧圆面外环区，励磁铁芯(11)的前侧面固定连接在第一轮盘(32)圆槽内底面，第二转子机构(2)包括电枢铁芯(21)、第一电枢绕组(22)和第二电枢绕组(23)，电枢铁芯(21)呈圆饼形，第一电枢绕组(22)环形分布在电枢铁芯(21)前侧圆面内环区，第二电枢绕组(23)环形分布在电枢铁芯(21)前侧圆面外环区，电枢铁芯(21)的后侧面固定连接在第二轮盘(42)圆槽内底面，第一励磁绕组(12)和第二励磁绕组(13)分别平对第一电枢绕组(22)和第二电枢绕组(23)，围绕其中心轴线相对转动。

2.根据权利要求1所述的双转子高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述励磁铁芯(11)和电枢铁芯(21)均由冲压的硅钢片叠成。

3.根据权利要求1所述的双转子高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述第一励磁绕组(12)可通过永磁凸子替代。

4.根据权利要求1所述的双转子高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述第一转子机构(1)或第二转子机构(2)的轴向侧边还设置有控制其转动性的离合卡齿(9)。

5.根据权利要求1所述的双转子高效平装水斗式水轮发电机，其特征在于：所述第一水斗(31)或第一水斗(31)的工作面为单勺形或双勺形或多勺形。