CN109469511A - 一种轴流式对旋双转子多工况透平 - Google Patents

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朱荣生
李扬
王秀礼
张国玉
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    • F01D1/00—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines
    • F01D1/24—Non-positive-displacement machines or engines, e.g. steam turbines characterised by counter-rotating rotors subjected to same working fluid stream without intermediate stator blades or the like
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Abstract

本发明属于流体机械领域，公开了一种轴流式对旋双转子多工况透平，包括左转轮、轴一、电机转子一、电机定子、电机转子二、轴二、右转轮、前置活动直导叶、后置活动直导叶；该透平充分利用内外双转子对转永磁同步电机转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，将传统的单转轮机组设计为双转子对旋的结构，不仅有效地减小了机组振动，而且在保证水轮机高效运行的条件下提高了水泵工况的扬程，并且改善了反向流动的性能，相较于传统水轮发电机组，水能的利用率有明显的提高。

Description

一种轴流式对旋双转子多工况透平
技术领域
本发明属于流体机械领域，特别涉及一种轴流式对旋双转子多工况透平。
背景技术
能源是一个国家国民经济发展的基础和前提。低碳、清洁、可持续的新型能源已成为社会发展的必然要求，随着煤、石油等化石类能源的越来越少，火电的比重将会渐渐减少。那么取而代之的将是无能耗和无污染的新能源发电，水力发电因为其蕴藏量和可行性，必将成为新能源发电中最大的一块。
水力发电机是水力发电的重要部分，水力发电机的合理高效利用将是水力发电的关键性技术，现在的水力发电机都是单个叶轮结构，水能利用率较低，如做成双叶轮对转结构，可实现水能二次利用，随着双转子电机的研制以及应用使得双叶轮对转结构式发电机组成为可能。区别于潮汐电站上传统的发电机组，两个转轮同时对向旋转时就产生两个相反的单边扭矩，当电机功率分配合理，两个扭矩就可以完全抵消。采用特殊结构的内外双转子对转永磁同步电机，其与同功率的传统电机相比具有转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点。
现有技术中专利公开号为CN206419158U的一种双转子对转式潮汐能发电装置，该实用新型通过第一副引水槽和第二副引水槽水平设置，而不是采用上下位置设置，使海浪冲击主叶轮和副叶轮时不会受到水位高低的影响，保持同时转动，海浪通过阀门冲击主叶轮和副叶轮，由于限位块的作用，限位块两侧阀门开口方向相反，海浪冲击和退回时，主叶轮和副叶轮转向不改变，且使内轴和外轴管反向转动，保持稳定的发电状态，当海浪冲击装置进行发电时，主叶轮通过内轴带动内转子转动，副叶轮通过主动齿轮带动从动齿轮转动，从动齿轮再通过外轴管带动外转子做与内转子旋转方向相反的转动，使双转子发电机稳定发电，但这种结构只是利用了水流作用于一级转轮，再通过齿轮传动到二级转轮达到发电的目的，从一级转轮出来的水流能量并没有得到有效利用。
现有技术中专利公开号为CN205349604U的一种双倍速海浪发电装置，该实用新型包括双转子电机以及两个海水导向槽，外轴套和内轴心的上端均与双转子电机的输入轴同轴固装，外轴套和内轴心的另一端分别通过一单向轴承安装有一叶轮，两个单向轴承的旋转方向相反，每个轴承分别一一对应地安装在两个海水导向槽内，双倍速海浪发电装置去掉底板和隔板的翻板阀、翻板阀限位块和弹簧复位铰接轴，改成在外轴套和内轴心的底部安装旋转方向相反的单向轴承，这样依然可以满足上下层叶轮在波浪往复冲击下向相反方向旋转且各自转向保持不变的条件，同时反向驱动双转子电机的外轴套和内轴心。但其发明仅仅简化了现有技术，没有给出各工况性能数据与结构之间的关系以方便工程技术上制造使用，而且其性能改善不明显。
发明内容
针对目前国内外电站上应用较多的单叶轮贯流式水轮机普遍存在的效率无法提高以及个别运行工况不理想的问题，本发明提供了一种轴流式对旋双转子多工况透平。本发明采用双转子结构设计，通过对转永磁电机实现双转子对向旋转，可以在满足水轮机高效运行的条件下提高水泵工况的扬程，双转子电机还具有转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，外侧线圈共用一个线端，不光节约了材料，还减小了转动惯量。本发明设计合理，对旋双转轮运行稳定，轴向扭矩小，而且内外双转子对转永磁同步电机体积小、振动小。
本发明通过以下技术方案实现的：
一种轴流式对旋双转子多工况透平，包括左转轮、轴一、电机转子一、电机定子、电机转子二、轴二、右转轮、前置活动直导叶、后置活动直导叶；
所述左转轮和右转轮轴向对称安装，布置在双转子电机两侧，两转轮对向旋转，前置活动直导叶均匀布置在左转轮左侧，后置活动直导叶均匀布置在右转轮右侧；左转轮通过轴一与电机转子一连接，右转轮通过轴二与电机转子二连接；电机定子布置于电机转子一和电机转子二之间，通过轴承一与轴承二固定；电机转子二固定安装在轴二上，轴二通过轴承二与轴承三固定；电机转子一通过轴承一与轴承三固定；
所诉两个对旋的左转轮(1)和右转轮(7)叶片参数依据机组正反向流动方向，翼型设计为对称“S”型或者不对称“S”型。
所述左转轮和右转轮分别连接独立的变频器，两转轮转速可调，转向依据工作工况而定，左转轮和右转轮的叶片数范围均在3～5个。
所述电机共用一套定子绕组，两转子相互独立无连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明采用双转子结构设计，通过对转永磁电机实现双转子同速对向旋转，可以在满足水轮机高效运行的条件下提高水泵工况的扬程。
2.本发明特殊结构的内外双转子对转永磁同步电机，其与同功率的传统电机相比具有转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，外侧线圈共用一个线端，不光节约了材料，还减小了转动惯量，永磁电机体积较小，有利于双向水流流动稳定。
3.本发明中的左转轮与右转轮对向旋转，区别于传统的发电机组，两个转轮同时对向旋转时就产生两个相反的单边扭矩，当电机功率分配合理，两个扭矩就可以完全抵消，可以有效地减小机组振动。
4.本发明中左转轮和右转轮叶片参数依据机组正反向流动高效优先级设计，如果综合考虑正反向扬程(水头)或效率，则翼型设计为对称“S”型，如果考虑正向或者反向流动扬程(水头)或效率偏高，翼型可设计为不对称“S”型。
5.本发明中由于采用了重新设计的双向叶片，双向叶片流道内流线较为平稳，左转轮以及右转轮的出口不会产生明显的预旋，在取消传统轴流泵导叶的基础上，在左转轮左侧以及右转轮右侧均布置了直导叶，在不影响流动性能的基础上，满足调节水轮机工况的需求。
6.本发明充分利用内外双转子对转永磁同步电机转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，将传统的单转轮机组设计为双转子对旋的结构，双转轮叶片配合设计，不仅有效地减小了机组振动，而且在保证水轮机高效运行的条件下提高了水泵工况的扬程，相较于传统的灯泡贯流式水轮发电机组，水能的利用率有明显的提高。
附图说明
图1是本发明一种轴流式对旋双转子多工况透平；
图2是本发明转轮叶片翼型设计示意图；A-对称“S”型设计，B-不对称“S”型设计；
图中，1.左转轮；2.轴一；3.电机转子一；4.电机定子；5.电机转子二；6.轴二；7.右转轮；8.轴承一；9.轴承二；10.轴承三；11.前置活动直导叶；12.后置活动直导叶。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。
图1所示为本发明一种轴流式对旋双转子多工况透平，所述轴流式对旋双转子多工况透平，包括左转轮1、轴一2、电机转子一3、电机定子4、电机转子二5、轴二6、右转轮7、前置活动直导叶11、后置活动直导叶12；
所述透平主要由左转轮1、右转轮7、前置活动直导叶11、后置活动直导叶12和双转子电机部分组成；所述左转轮1和右转轮7轴向对称安装，布置在双转子电机两侧，两转轮对向旋转，前置活动直导叶11均匀布置在左转轮1左侧，后置活动直导叶12均匀布置在右转轮7右侧；左转轮1通过轴一2与电机转子一3连接，右转轮7通过轴二6与电机转子二5连接；电机定子4布置于电机转子一3和电机转子二5之间，通过轴承一8与轴承二9固定；电机转子二5固定安装在轴二6上，轴二通过轴承二9与轴承三10固定；电机转子一3通过轴承一8与轴承三10固定；
所述两个对旋的左转轮1和右转轮7叶片参数依据机组正反向流动方向，翼型设计为对称“S”型或者不对称“S”型。
所述左转轮1和右转轮7分别连接独立的变频器，两转轮转速可调，转向依据工作工况而定，左转轮1和右转轮7的叶片数范围均在3～5个。
优选地，所述电机共用一套定子绕组，两转子相互独立无连接。
如图2所示为本发明转轮叶片示意图，综合考虑正反向扬程(水头)或效率，则翼型设计为对称“S”型，如果考虑正向或者反向流动扬程(水头)或效率偏高，翼型可设计为不对称“S”型。
本发明的工作原理：
根据电站的需要调节前置活动直导叶与后置活动直导叶的开度，正反向水轮机工况时，水流作源动力，假设水流从左侧流向右侧，左转轮1在水流的作用下正向旋转，带动与轴一2相连的电机转子一3同向转动，右转轮7在水流的作用下反向旋转，带动与轴二6相连的电机转子二5同向转动；正反向水泵工况时，电动机作源动力，电动机通电产生旋转磁场，假设电机转子一3正向旋转，带动与轴一2相连的左转轮1同向转动，电机转子二5反向旋转，带动与轴二6相连的右转轮7同向转动，分频器分别控制左转轮1和右转轮7的转速。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种轴流式对旋双转子多工况透平，其特征在于，包括左转轮(1)、轴一(2)、电机转子一(3)、电机定子(4)、电机转子二(5)、轴二(6)、右转轮(7)、前置活动直导叶(11)、后置活动直导叶(12)；
所述左转轮(1)和右转轮(7)轴向对称安装，布置在双转子电机两侧，两转轮对向旋转，前置活动直导叶(11)均匀布置在左转轮(1)左侧，后置活动直导叶(12)均匀布置在右转轮(7)右侧；左转轮(1)通过轴一(2)与电机转子一(3)连接，右转轮(7)通过轴二(6)与电机转子二(5)连接；电机定子(4)布置于电机转子一(3)和电机转子二(5)之间，通过轴承一(8)与轴承二(9)固定；电机转子二(5)固定安装在轴二(6)上，轴二(6)通过轴承二(9)与轴承三(10)固定；电机转子一(3)通过轴承一(8)与轴承三(10)固定；
所述两个对旋的左转轮(1)和右转轮(7)叶片参数依据机组正反向流动方向，翼型设计为对称“S”型或者不对称“S”型。
2.如权利要求1所述的一种轴流式对旋双转子多工况透平，其特征在于，所述左转轮(1)和右转轮(7)分别连接独立的变频器，两转轮转速可调，转向依据工作工况而定。
3.如权利要求1所述的一种轴流式对旋双转子多工况透平，其特征在于，左转轮(1)和右转轮(7)的叶片数范围均在3～5个。
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