CN106662065A - 一种水下电子导叶操作装置 - Google Patents

Abstract

电控制水下式水力发电系统的系统及方法，用于避免现有水力系统中的油污泄露。系统包括操作性连接于导叶操作环的一个或多个可浸入式电促动器，所述导叶操作环继而连接于涡轮机内的多个导叶。每个水下式电促动器包括与推拉杆相连的电动机，所述推拉杆构造成可将从第一端接收的旋转运动转变为与第一端相对的伸缩端的直线运动，用于将导叶操作环转到所需位置。电促动器包括防水结构，所述防水结构罩住电动机和推拉杆，同时允许推拉杆的伸缩运动以转动导叶操作环。

Description

一种水下电子导叶操作装置

相关申请的交叉引用

本申请声明在2014年4月16日提出的美国临时专利申请61/980122的优先权，该申请的说明书以引用形式完整地包括在本文内。

背景技术

(a)技术领域

本发明公开的主题大体涉及涡轮机导叶操作装置。

(b)相关现有技术

在水力发电的生产中调节水流的传统涡轮机利用油基液压缸、或称伺服电机来控制以开启和关闭涡轮机导叶。这些液压系统会产生一些污染，比如加压线、泵、压缩机及维持系统运行所需要的压力油藏中的液压油。这些污染大量存在，并且可能高达每台涡轮机30000升，在寻常的坝内高达1000000升。

这种液压伺服电机的最主要缺陷就是污染物、例如液压油泄露到水中。

过量的油泄露会发生在常规的操作中，比如维修过程中，或者在系统老化后的常规操作中(一些系统已经服役超过75年)。当泄露发生时，油会排放进入周围环境，污染河源。

除此之外，(由通过上游过滤的河流杂物、异常水流或系统机械失效引起的)系统失效会导致主液压伺服电机浸入液体多达3米深，而使整个涡轮机和涡轮机导叶操作系统浸入水中，且从液压系统向河流排放大量油，从而引发严重的环境污染问题。

为了解决上述问题，技术人员也做了一些尝试。例如，东芝国际集团(ToshibaInternational Corp)设计了一种非水下式系统，在此系统中，水流通过管道/导管被输送到高于水面的结构来驱动涡轮机的转动，此涡轮机由伺服电机控制。图1a和图1b显示了此系统的实例：非水下式水力发电系统120包括进出水管122和用于在涡轮机内调节水流的伺服电机121。如图1a和1b所示，系统120并未浸入水中，而是置于大坝壳体的外部。

然而，作为一种非水下式系统，东芝(Toshiba)系统不能取代现有的水下水力发电的水力伺服电机系统，因此，只有通过新建大坝或对现有大坝进行大规模结构改造才能应用该非水下式系统。而后者基于成本角度考虑是存在问题且有时是不可行的，执行改造而中断运行也会导致电力中断，同时有些情况下基于大坝的外形和结构来说也是不现实的。

因此，仍然需要一种水力发电系统，要求该系统环保、同时可下水，来代替现有系统中的水力伺服电机。

发明内容

本申请的实施例描述了所述水力发电系统。

一方面，提供了一种水下式水力发电系统，包括：涡轮机，所述涡轮机包括多个导叶，所述多个导叶构造成可通过开启和关闭来控制通过涡轮机的水流；导叶操作环，所述导叶操作环操作性连接到多个导叶上用于在开启位置和关闭位置之间旋转导叶；一个或多个电促动器，所述电促动器操作性连接到导叶操作环，并且构造成响应于控制信号地使导叶操作环转到所需位置。每个电促动器包括电动机和推拉杆，所述推拉杆操作性地连接到电动机上，用于将电动机的旋转运动转变为可使导叶操作环转到所需位置的直线运动。

电促动器可设置在防水外壳中。防水外壳可包括具有柔性膜的防水罩，所述罩用于罩住电动机；还包括伸缩管，所述伸缩管通过柔性膜而突出，且构造成罩住所述推拉杆，且随着所述推拉杆的直线运动而伸长和收缩。

系统也可包括防水的供电单元，用于提供从外壳的外部接收以传到电动机的控制信号。

在一个实施例中，防水罩、柔性膜、供电单元和伸缩管符合IP68防水标准。

系统还可包括第一电促动器和第二电促动器，所述第一电促动器和第二电促动器连接在导叶操作环的相对侧。第一促动器和第二促动器会以相同速率相反方向的直线运动来转动导叶操作环。

推拉杆可包括连接于电动机转动轴的初动轴；以及缸体，所述缸体包括围绕所述初动轴设置的多个次动轴，所述次动轴连接于缸体且构造成可随着初动轴的转动来导致缸体的直线运动。

电动机为伺服电机。

另一方面，提供电促动器来控制水下的水力发电系统中导叶操作环的开启和关闭，所述电促动器包括：具有转动轴的电动机和连接于导叶操作环的推拉杆，推拉杆能够操作地连接于转动轴，且构造成将转动轴的旋转运动转化成用于将导叶操作环转到所需位置的直线运动。

电促动器可置于水下，并且包括符合IP68的防水外壳。

防水外壳可包括具有柔性膜的防水罩，此罩用于罩住电动机；并且包括伸缩管，所述伸缩管从柔性膜突出，且构造成罩住推拉杆且随着推拉杆的直线运动而伸长和收缩。

推拉杆可包括连接于电动机转动轴的初动轴；以及缸体，所述缸体包括围绕所述初动轴设置的多个次动轴，所述次动轴连接于缸体且构造成可通过初动轴的转动来导致缸体的直线运动。

再进一步，提供了一种用于控制水下水力发电系统的操作的方法，所述系统包括连接到导叶操作环的多个导叶，所述方法包括：提供推拉杆，所述推拉杆构造成将从第一端得到的旋转运动转变为伸缩端的直线运动，所述伸缩端与所述第一端的位置相对；将推拉杆的第一端连接到电动机，用于基于第一端的旋转而使得伸缩端以直线方式移动，所述伸缩端的直线运动用于转动导叶操作环；并且提供用于罩住电动机和推拉杆的防水结构。

在一个实施例中，提供防水结构包括：将电动机设置在具有柔性膜的防水外壳中；并将推拉杆置于防水伸缩管内，所述伸缩管通过柔性膜而突出。

所述方法也可包括将伸缩管连接于导叶操作环。

在另一个实施例中，所述方法可包括：提供两个不同的电动机，并将与这两个不同的电动机相连的伸缩管连接到导叶操作环的相对侧；并且将两个电动机构造成在相反方向上转动，从而引起导叶操作环的转动。

在又一个实施方式中，提供了一种电促动器，所述电促动器用于控制水下水力发电系统中的连接到多个导叶的导叶操作环的操作，所述电促动器包括：具有转动轴的电动机；连接于导叶操作环的推拉杆，所述推拉杆操作性地连接到转动轴，并且构造成将转动轴的旋转运动转变为用于将导叶操作环转到所需位置的直线运动。电促动器可置于水下且包括防水外壳，所述防水外壳包括具有柔性膜的防水罩和通过所述柔性膜而延伸的伸缩管，所述防水罩适合于接纳电动机，且所述伸缩管适合于接纳并连接到推拉杆，且所述伸缩管随着推拉杆的直线运动而伸长和收缩。

根据一个实施例，提供了一种水下的水力发电系统，包括：至少一个促动器，所述促动器包括伺服电机和操作性地连接到所述伺服电机的推拉杆，所述推拉杆将伺服电机的转动转变为直线运动；涡轮机，所述涡轮机包括多个叶片，所述多个叶片构造成通过开启和关闭控制通过涡轮机的水流；导叶操作环，所述导叶操作环一侧操作性连接到涡轮机叶片，另一侧操作性连接到促动器，用于根据促动器的轴向运动控制叶片的运转。

在一个实施例中，所述系统包括一个或多个促动器，所述一个或多个促动器连接于导叶操作环的相对侧，且构造成在一个完整的导叶操作系统中运行。

在另一个实施例中，促动器适于永久水下作业且符合IP68标准。

如附图所示，根据下述所选实施例的具体描述，本发明主题的技术特征和优点可清楚呈现。需要理解的是，公开的要求保护的主题能够从不同方面进行改进，只要没有超出权利要求的范围。相应地，附图和说明书应当自然而然被视为描述性的而非限定性的，本发明的完整范围记载在权利要求中。

附图说明

结合附图，本发明的更深层的技术特征和优点经过如下的详细描述将更清晰：

图1a和图1b显示了传统的非水下式水力发电系统；

图2a和图2b为根据实施例说明水下式水力发电系统作业环境的三维图；

图3a为根据实施例的水下式水力发电系统的近距离观察图；

图3b根据实施例举例说明了电促动器的直线运动如何引起操作导叶环的旋转；

图4显示了用于将电动机的旋转运动转变为轴向运动的推拉杆的一个示例性的构造；

图5a和图5b分别显示了处于收缩位置和伸展位置的伺服电机促动器；

图6a至图6c显示了密封系统的实施例，所述密封系统用于促动器和其关联轴的防水；

图7为方法流程图，所述方法用于控制水下式水力发电系统的操作，所述系统包括连接于导叶操作环的多个导叶。

需要注意的是，在所有附图中，相同的特征以相同的附图标记表示。

具体实施方式

本发明的实施例描述了用于水下式水力发电系统的电控制的系统和方法，用于避免现有水力系统中存在的油污泄露。本发明的系统包括操作性地连接于导叶操作环的一个或多个水下式电促动器，所述导叶操作环继而连接于涡轮机内的多个导叶。每个水下式电促动器包括连接于推拉杆的电动机，所述推拉杆构造为将从第一端接收到的旋转运动转变为与第一端相反的伸缩端的直线运动，以使导叶操作环旋转到所需位置。电促动器包括防水结构，所述防水结构罩住电动机和推拉杆，同时允许推拉杆进行伸缩运动来转动导叶操作环。

图2a和图2b为根据实施例说明水下式水力发电系统作业环境的三维图。

如图2a和图2b所示，作业环境包括水下模块和非水下模块。非水下模块包括：变压器、自动动力进给模块、控制面板、独立电源(未显示)、用于控制控制面板的冷却系统和非水下式导叶控制系统。

水下模块包括：图3a所示的水下式涡轮机129，所述涡轮机129包括连接于导叶环136(又名导叶操作环)的多个导叶130；以及导叶操作系统，所述导叶操作系统包括连接于导叶环136的相对侧的一个或优选一对电促动器137。如图2a示例性显示，水下部分可置于施工房的外壳结构内(在非水下部件和模块之下)，并根据电力需求、水位和其他参数，由流经导叶130的进水量来控制发电。

图3a为一个实施例中的水下式水力发电系统的近距离观察图，图3b举例说明了一个实施例中电促动器的直线运动如何引发操作导叶环的转动。

在一个实施例中，使用一对电促动器137来控制通过涡轮机129的水流、随后的涡轮机转速和水力发电，所述一对电促动器137连接于导叶环136的相对侧，用于响应于从控制面板接收的控制信号而开启和关闭导叶130。在一个实施例中，每个促动器137包括伺服电机138。

在一个非限制性的实施例中，每个促动器137的直径可为1米且平均长度可为3.5米。两个促动器137结合，额定容量可为640.6KN，额定系统功率可为94KW，重量可为6.1公吨。

如图3a示例性显示，涡轮机129包括多个导叶130和连接于导叶130的导叶操作环136。如上所述，导叶操作系统包括两个或更多促动器137a和137b。促动器137构造成具有相同速率的、沿着相反方向的精确的轴向位移，以使得导叶环136转动到控制面板所指定的所需位置。每个促动器137包括伺服电机138，所述伺服电机例如连接于直线的推拉杆140(又名推杆)。伺服电机138构造成以轴向的方式推开或拉回轴140，如图3b所示例性显示，图3b显示了促动器137a处于推动位置，而促动器137b处于拉回位置。轴140连接于导叶操作环136的相对侧，根据从控制面板接收到的信号开启或关闭涡轮机130的导叶134，所述从控制面板接收到的信号跟随用于控制水力发电的水电调节系统的指令。

相应地，当指定的促动器137a推动导叶环136时，另一个促动器137b会同时以大小相同但方向相反的速度、力、位移拉回导叶环136的相对侧，从而使环136以控制面板所显示的指定的方向发生转动。

如上所述，如图4所示例性显示，每个伺服电机138的转动轴可与推拉杆140相连，以将转动运动转变为直线运动。

图4显示了推拉杆的一个示例性的构造，用于将伺服电机的旋转运动转变为直线(推/拉)运动。

如图4的实施例所示，推拉杆140包括螺纹轴142、缸体/底盘143和连接于缸体143且与螺纹轴142的螺纹相配合的多个螺纹部件144。在操作过程中，转动轴142连接到伺服电机138的转动轴。当螺纹轴142以指定方向转动时，由于缸体143连接导叶环136且不能随轴142转动，轴142的旋转运动会引起缸体143在推拉杆外壳146内轴向前后运动(如图5a和图5b所示例性显示)，从而将伺服电机138的旋转运动转化为轴向运动，来通过导叶操作环136控制导叶134的开启。缸体143可置于推拉杆外壳146内。附图5a显示促动器处于收缩位置，而附图5b显示促动器处于伸展位置。

由于促动器是直接暴露在水里，这些促动器及每个促动器的关联轴的整体组件的防水对于避免腐蚀、确保持久作业是非常重要的。在一个实施例中，此处描述的防水结构符合IP68防水标准。

图6a至图6c显示了用于促动器及其关联轴的防水的密封系统的实施例。附图6a显示促动器处于完全收缩位置。附图6b显示促动器处于半伸展位置，附图6c显示促动器处于完全伸展位置。

图6a至图6c中，每个伺服电机138均设置在防水外壳150内。在一个实施例中，外壳150可以包括水封的IP68电子/电源控制单元152，所述控制单元152以安全的方式通过壳体150给伺服电机提供控制/电源信号；和柔性的且水封的膜154，IP68伸缩水封促动器管156延伸穿过所述膜154。膜设计成柔性的，以吸收振动、摇动和发生在涡轮机运行过程中的各种运动，比如突发的开启和关闭等。伸缩水封促动器管156以一种方式包围且包含推拉杆外壳146及伺服电机138的推杆140，所述方式允许推杆如附图6a至6c示例性所示不透水地在管156内伸展和收缩，因此促动器137可以在水下环境运行且不受伺服电机和相关电力传输部件耐久性的影响。

附图7为方法200的流程图，所述方法用于控制水下式水力发电系统的运行，所述系统包括连接于导叶操作环的多个导叶。在步骤202中，所述方法包括提供推拉杆，所述推拉杆构造成将从第一端接收的旋转运动转化为伸缩端的直线运动，伸缩端和第一端位置相对。步骤204包括将推拉杆的第一端连接于电动机，根据第一端的转动以直线方式移动伸缩端，伸缩端的直线运动用于使导叶操作环转动。步骤206包括提供用于罩住电动机和推拉杆的防水结构。

虽然结合附图描述和展示了优选的实施例，但在不违背本发明的情况下，进行各种改进对于本领域技术人员而言是清楚的。这样的改进应当看作本发明的范围内的可能的变体。

Claims (20)

1.一种水下式水力发电系统，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括多个导叶，所述多个导叶构造为通过开启和关闭来控制经过涡轮机的水流；

导叶操作环，所述导叶操作环操作性地连接于多个导叶，用于使导叶在开启位置和关闭位置之间旋转；

一个或多个电促动器，所述电促动器操作性地连接于导叶操作环且构造成响应于控制信号转动导叶操作环转到所需位置；

每个电促动器包括电动机和推拉杆，所述推拉杆操作性地连接到电动机，用于将电动机的旋转运动转化为用于使导叶操作环转到所需位置的直线运动。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电促动器置于防水外壳内。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述防水外壳包括：

具有柔性膜的防水罩，所述防水罩用于罩住电动机；和

通过所述柔性膜而突出的伸缩管，所述伸缩管构造成罩住推拉杆且同时随着推拉杆的直线运动而伸展和收缩。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，还包括防水供电单元，用于提供从外壳的外部接收到以传到电动机的控制信号。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述防水罩、柔性膜、供电单元及伸缩管符合IP68防水标准。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括第一电促动器和第二电促动器，所述第一电促动器和第二电促动器分别与导叶操作环的相对侧连接。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述第一电促动器和第二电促动器以相同速率相反方向进行直线运动以使导叶操作环转动。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述推拉杆包括：

用于连接到电动机转动轴的初动轴；

缸体，所述缸体包括围绕初动轴设置的多个次动轴，所述次动轴连接于缸体且构造成根据所述初动轴的转动导致缸体的直线运动。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电动机是伺服电机。

10.一种电促动器，所述电促动器用于控制水下式水力发电系统中导叶操作环的开启和关闭，所述电促动器包括：

具有转动轴的电动机；

连接到导叶操作环的推拉杆，所述推拉杆操作性地连接到所述转动轴且构造成将转动轴的旋转运动转变为用于使导叶操作环转到所需位置的直线运动。

11.根据权利要求10所述的电促动器，其特征在于，所述电促动器能够置于水下且包括符合IP68的防水外壳。

12.根据权利要求10所述的电促动器，其特征在于，还包括防水外壳，所述防水外壳包括：

具有柔性膜的防水罩，所述防水罩用于罩住电动机；和

从柔性膜突出的伸缩管，所述伸缩管构造成罩住推拉杆，且随着推拉杆的直线运动而伸展和收缩。

13.根据权利要求10所述的电促动器，其特征在于，所述推拉杆包括：

用于连接电动机转动轴的初动轴；

缸体，所述缸体包括围绕初动轴设置的多个次动轴，所述次动轴连接于缸体，且构造成根据所述初动轴的转动导致所述缸体的直线运动。

14.根据权利要求10所述的电促动器，其特征在于，所述电动机是伺服电机。

15.一种用于控制水下式水力发电系统的运行的方法，所述系统包括连接于导叶操作环的多个导叶，所述方法包括：

提供推拉杆，所述推拉杆构造成将从第一端接收到的旋转运动转化为伸缩端的直线运动，所述伸缩端和所述第一端位置相对；

将所述推拉杆的第一端与电动机相连，以根据第一端的旋转使得伸缩端以直线的方式运动，所述伸缩端的直线运动用于转动导叶操作环；

提供用于罩住电动机和推拉杆的防水结构。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，提供防水结构包括：

将电动机置于具有柔性膜的防水外壳内；和

将推拉杆置于延伸通过所述柔性膜的防水伸缩管内。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括将伸缩管连接于导叶操作环。

18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：

提供两个不同的电动机，并且将与所述两个不同的电动机相关联的伸缩管连接到导叶操作环的相对侧；

将两个电动机构造成以相反方向转动，从而引起导叶操作环的转动。

19.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，提供从防水结构外部接收以传到电动机的控制信号。

20.一种电促动器，所述电促动器用于控制水下式水力发电系统中的连接于多个导叶的导叶操作环的运行，所述电促动器包括：

具有转动轴的电动机；

用于连接导叶操作环的推拉杆，所述推拉杆操作性地连接到所述转动轴且构造成将转动轴的旋转运动转变为用于转动导叶操作环到所需位置的直线运动；

所述电促动器能够置于水下且包括防水外壳，所述防水外壳包括具有柔性膜的防水罩和延伸通过所述柔性膜的伸缩管，所述防水罩适合于接纳电动机，所述伸缩管适合于接纳且连接于推拉杆，并且所述伸缩管跟随所述推拉杆的直线运动而伸展和收缩。