CN117940662A - 水电能源系统和该水电能源系统的制造方法 - Google Patents

水电能源系统和该水电能源系统的制造方法 Download PDF

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Abstract

根据本公开的水电能源系统包括固定环结构，所述固定环结构包括固定环基座和固定环背衬。该系统还包括旋转环结构，所述旋转环结构包括旋转环基座和设置在旋转环基座的径向外部的叶片支撑环。旋转环基座设置在固定环基座的径向外部并且配置成围绕旋转轴线环绕静止环基座旋转。该系统还包括至少一个轴承机构，所述轴承机构被配置成在旋转环基座环绕静止环基座的旋转期间相对于静止环结构支承旋转环结构。在旋转期间，静止环背衬被配置成处于压缩中并且以堆叠构型在流体流内支承静止环基座、旋转环基座和叶片支撑环。

Description

水电能源系统和该水电能源系统的制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年8月30日提交的题目为“Devices,Systems,and Methods forHydrogen Generation,Collection,and Distribution”的美国临时专利申请第63/238,538号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及水电能源系统和使用增材制造来制造这种系统的方法，并且更特别地涉及使用增材制造工艺来制造水电涡轮机的方法。
背景技术
本文所使用的章节标题仅用于组织目的，不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。
利用可再生能源，减少对碳基能源生产的依赖在当前是整个世界越来越关注的问题。为了减少对化石燃料的依赖，已经开发了多种能源生产技术，包括但不限于例如从流体流(例如，风流或水流)转换发电。这种能源转换系统通常依赖于涡轮机，在所述涡轮机中叶片与流体流(例如，来自风或水)相互作用，使得转子旋转，这使发电机旋转以发电。
在水电能源系统中，水电涡轮机用于从运动水体(例如，河流或洋流)或其他流体源中的流发电。例如，潮汐发电利用由潮汐流或者利用由于潮汐而造成的海平面上升和下降所引起的水运动。随着水位上升以及接着下降，产生水流或流体流。例如，来自江河的单向流动也会产生可用于发电的流。
依靠液体(例如，水)中的流的自然运动的水电能源被归类为可再生能源。然而，与比如风能和太阳能的其他可再生能源不同，水电能源是能够被可靠预测的。水流是一种清洁、可靠且可提前数年预测的可再生动力源，因此有助于与现有的能源网整合。此外，由于水(包括例如海水)的基本物理特性，即其密度(其可以为空气密度的832倍)及其不可压缩性，与用于产生可再生能源的其他可再生能源相比，这种介质具有独特的“超高能量密度”潜力。一旦考虑到世界范围内的许多沿海地区/河流地区和/或可用地区中呈现的体积和流速，这种潜力就会被放大。
除了产生电力以用于分配到电网之外，可再生能源(包括但不限于流体流能源转换系统)可以用于通过使用由这些系统所产生的电力为电解装备(电解槽)提供动力来生产氢气。由于水电能源系统依靠并与大型水体共存，因此水电能源系统特别适合使用电解生产氢气。例如，由电解过程产生的氢气可以储存起来并且用作非碳基形式的燃料。
因此，水电能源可以提供无污染的电力、氢气生产和/或可以帮助减少目前世界对石油、天然气以及煤炭的依赖的其他可用形式能源的高效长期的源。减少化石燃料资源的消耗继而可以有助于减少排放到全球大气中的温室气体。
使用水电涡轮机(其将来自流体流的动能转换成旋转机械能)的发电是众所周知的。然而，水电能源系统通常相对复杂并且需要定制部件和零件，所述定制部件和零件使得大规模生产此类系统所需的成本可能很高。在安装位置处组装此类大型且复杂的系统还可能面临额外的挑战，这些系统通常具有需要紧固在一起的多个部件。
期望提供一种水电能源系统，所述水电能源系统不仅具有坚固的构型，而且还能高效地生产和组装。还期望提供一种水电能源系统，所述水电能源系统的设计使得需要组装的零件的数量最小化(例如在安装位置处)。还期望提供一种设计灵活并且可扩展以适应不同应用的水电能源系统。
发明内容
本公开的示例性实施例可以展示上述期望特征中的一个或多个。根据下面的描述，其他特征和/或优点可以变得显而易见。
其他目的和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地通过所述描述变得明显，或者可以通过实践本教导而学习到。借助于在所附权利要求中特别指出的元件和组合，可以实现和获得本公开的目的和优点中的至少一些。
根据本公开的一个方面，提供了一种水电能源系统。该水电能源系统包括静止环结构，所述静止环结构包括静止环基座和至少部分地设置在由静止环基座所限定的开口内的静止环背衬。静止环基座具有多个第一发电元件。水电能源系统还包括旋转环结构，所述旋转环结构包括旋转环基座和设置在旋转环基座的外周表面的径向外部的叶片支承环。旋转环基座具有多个第二发电元件。旋转环基座设置在静止环基座的外周表面的径向外部并且配置成围绕旋转轴线环绕静止环基座旋转。该水电能源系统还包括至少一个轴承机构，所述轴承机构配置成在旋转环基座环绕静止环基座旋转期间相对于静止环结构支承旋转环结构。在旋转环基座环绕静止环基座的旋转期间，静止环背衬配置成处于压缩中并且以堆叠构型在沿着基本平行于旋转轴线的方向流动的流体流内支承静止环基座、旋转环基座和叶片支承环。
根据本公开的另一个方面，提供了一种制造包括静止环结构和旋转环结构的水电能源系统的方法。该方法包括打印用于静止环结构的基座。静止环基座在其外周表面内具有至少一个狭槽。至少一个狭槽被配置成接收多个第一发电元件。该方法另外还包括将静止环模具定位在静止环基座的内周表面上，以在静止环模具和静止环基座之间形成内腔。该方法还包括将轴承材料固定至静止环基座的外周表面。该方法还包括在轴承材料上插入可磨损材料的薄层。在水电能源系统的操作期间，所述可磨损材料配置成磨损掉以在静止环结构和旋转环结构之间形成轴承间隙。该方法还包括在可磨损材料上打印用于旋转环结构的基座。旋转环基座具有至少一个狭槽，所述狭槽被配置成接收多个第二发电元件。该方法还包括利用芯材料填充形成在静止环模具和静止环基座之间的内腔。芯材料被配置成硬化以形成静止环结构的背衬。该方法还包括打印包括一个或多个叶片的叶片支承环。每个叶片从叶片支承环径向向内以及从叶片支承环径向向外延伸。叶片支承环被配置成与旋转环基座相联接以形成旋转环结构。
根据本公开的其他方面，提供了一种制造用于水电能源系统的静止环结构的方法。所述方法包括打印用于静止环结构的基座。所述基座呈具有U形截面的圆环形。所述U形截面包括基部以及基本上垂直于所述基部延伸的第一侧壁和第二侧壁。基座具有至少一个狭槽，狭槽被配置成接收多个发电元件。该方法还包括将多个发电元件固定在基座的至少一个狭槽内。该方法还包括用模具覆盖在基座上面，使得模具邻接第一侧壁和第二侧壁，并且基座和模具一起限定密封的内腔。该方法还包括用芯材料填充内腔。芯材料被配置成硬化以形成静止环结构的背衬。
根据本公开的其他方面，提供了一种制造用于水电能源系统的旋转环结构的方法。该方法包括打印用于旋转环结构的基座。基座呈具有U形截面的圆环形状并且具有配置成接收多个发电元件的至少一个狭槽。该方法还包括将多个发电元件固定到基座的所述至少一个狭槽中。该方法还包括打印包括一个或多个叶片的叶片支承环。每个叶片既从叶片支承环径向向内延伸，又从叶片支承环径向向外延伸。叶片支承环被配置成与基座相联接以形成旋转环结构。
应当理解的是，前面的一般描述以及下面的详细描述仅仅是示例性和解释说明性，并且不限制本公开和权利要求(包括等同物)。应当理解，本公开和权利要求在其最广泛的意义上可以在不具有这些示例性方面和实施例的一个或多个特征的情况下被实施。例如，本领域普通技术人员将理解，以下关于水电能源系统和方法的详细描述仅是示例性的，并且所公开的系统和方法可以具有各种部件，其利用各种水电涡轮机、机械能传输部件、齿轮组件以及发电机来收集、传递机械能以及将该机械能转换为电能。
附图说明
包含于本说明书并构成本说明书的一部分的附图说明了本公开的各种非限制性实施例，并且与说明书一起用于解释某些原理。在附图中：
图1是根据本公开的实施例的水电能源系统的前透视图；
图2是图1的水电能源系统的前视图；
图3是图1的水电能源系统的穿过图2的截面3-3截取的剖视图；
图3A是图3的剖视图的局部放大图；
图4是图1的水电能源系统的分解图；
图5是图1的水电能源系统的静止环基座的透视图；
图6是图5的静止环基座的剖视图；
图7A至图7E是根据本公开的各种实施例的静止环基座的示意性局部剖视图；
图8是根据本公开的另一个实施例的静止环基座的示意性局部剖视图；
图9是根据本公开的实施例的用于接收在图8的静止环基座内的一组互锁块的透视图；
图10是根据本公开的实施例的包含多个层叠线圈互锁块的图8的静止环基座的剖视图；
图11是示出根据本公开的实施例的用于连结层叠线圈互锁块的线束的局部示意图；
图12是图1的水电能源系统的静止环模具的透视图；
图13是图12的静止环模具的剖视图；
图14是图1的水电能源系统的静止环背衬的透视图；
图15是图14的静止环背衬的剖视图；
图16是图1的水电能源系统的旋转环基座的透视图；
图17是图16的旋转环基座的剖视图；
图18A至图18E是根据本公开的各个实施例的旋转环基座的示意性局部剖视图；
图19A和图19B是根据本公开的实施例的叶片支承环的一部分的剖视图；
图20是根据本公开的另一个实施例的旋转环基座的透视图；
图21是图20的旋转环基座的剖视图；
图22是根据本公开的另一个实施例的水电能源系统的前视图；
图23是图22的水电能源系统的穿过图22的截面23-23截取的剖视图；
图23A是图23的剖视图的局部放大图；
图24是图22的水电能源系统的静止环背衬的透视图；
图25是图24的静止环背衬的剖视图；
图26是根据本公开的另一个实施例的水电能源系统的示意性放大局部剖视图；
图27是图26的水电能源系统的示意性放大局部剖视图，其示出了根据本公开的实施例的第一O形环构型；
图28是图26的水电能源系统的示意性放大局部剖视图，其示出了根据本公开的另一个实施例的第二O形环构型；
图29是图26的水电能源系统的示意性放大局部剖视图，其示出了根据本公开的又一个实施例的第三O形环构型；
图30是根据本公开的实施例的刚性支承结构的透视图；
图31是图30的刚性支承结构的剖视图；
图32至图39是示出根据本公开的实施例的水电能源系统的制造方法的示意性局部剖视图；
图40是根据本公开的实施例的包含过滤机构的水电能源系统的示意性局部剖视图；
图41至图43是示出根据本公开的另一个实施例的水电能源系统的制造方法的示意性局部剖视图；
图44是根据本公开的另一个实施例包含具有内腔的叶片支承环的水电能源系统的示意性局部剖视图；和
图45是根据本公开的又一实施例的包含波纹的水电能源系统的示意性局部剖视图。
具体实施方式
本公开解决了上述问题中的一个或多个和/或实现了上述期望特征中的一个或多个。根据下面的描述，其他特征和/或优点可以变得显而易见。
本公开设想了包括水电涡轮机的水电能源系统，所述水电涡轮机包括静止环结构和旋转环结构，所述旋转环结构被配置成相对于静止环结构围绕一旋转轴线旋转。根据本公开的涡轮机可以例如具有多个叶片，所述多个叶片具有相对于旋转环结构径向向内和径向向外延伸的叶片部分。以这种方式，具有大致平行于旋转环结构的所述旋转轴线的方向分量流的流体流作用在叶片部分上，从而引起旋转环结构围绕所述旋转轴线旋转(见图1中的流体流F和轴线A)。
本公开的水电能源系统设想了具有与先前的环上主体设计/架构不同的简单设计/架构的水电涡轮机。例如，这种环上主体架构通常利用底盘环(例如，定子)和叶片支承环(例如，转子)作为结构构件，其中施加在涡轮机上的应力通过环传递，并且涡轮机被配置成从两个方向收集能量(例如，涡轮机被配置成以双向流的方式起作用，其中流可以来自涡轮机的任一侧(相对侧))。在这种架构中，各种部件被紧固到并且搁置在两个环中的每一个上，以形成完整组装的涡轮机。本公开设想利用增材制造(AM)方法来打印每个环(静止环结构和旋转环结构)，从而通过在打印过程中将通常紧固到环的零件集成到环本身来简化涡轮机。因此，所设想的系统和方法可以合并涡轮机的零件，以大大缩短涡轮机组装的时间、降低其成本和复杂性，同时还增加了涡轮机的强度以及预期寿命。依靠增材制造方法来制造水电涡轮机的环还可以提供涡轮机结构的设计灵活性以及涡轮机结构在制造上可扩展性的优点。
在一个实施例中，例如，打印的水电涡轮机结构可以具有简单的堆叠构型，其中首先打印静止环结构，然后将包括叶片的旋转环结构打印在静止环结构上。如图1所示，例如，当涡轮机定位在具有大体平行于旋转轴线A的方向分量的单向流体流F(例如，单向流F，其中流仅来自涡轮机的上游侧)时，环的堆叠性质是有利的，这样在旋转环结构环绕静止环结构旋转期间，静止环结构处于压缩中并且可以在流体流F内支承旋转环结构。
现在参考图1至图21，示出了根据本公开的水电能源系统100。水电能源系统100(例如，水电涡轮机100)包括具有多个第一发电元件的静止环结构102和具有多个第二发电元件的旋转环结构104，所述旋转环结构配置成围绕旋转轴线A相对于静止环结构102旋转。如上文所讨论的那样，系统100包括堆叠构型，在所述堆叠构型中，旋转环结构104的部件叠加并且被配置成相对于静止环结构102的部件旋转。例如，如可能在图3A的放大剖视图中最佳示出的那样，静止环结构102包括静止环背衬113形式的芯结构和覆盖背衬113(即，设置在背衬113的径向外部)的静止环基座112。尽管旋转环结构104包括覆盖静止环基座112(即，设置在静止环基座112径向外部)的旋转环基座105和覆盖旋转环基座105(即，设置在旋转环基座径向外部)的叶片支承环101。以这种方式，旋转环结构104的部件(即，旋转环基座105和叶片支承环101)相对于静止环结构102的部件(即，静止环基座112和静止环背衬113)以大致同心的杯状方式设置，使得旋转环结构104可以围绕旋转轴线A、环绕静止环结构102的外表面旋转。涡轮机100还可以包括至少一个轴承机构，所述轴承机构配置成在旋转环结构104环绕静止环结构102旋转期间相对于静止环结构102支承旋转环结构104，如下文进一步讨论的那样。
如图3A所示，静止环背衬113形成涡轮机100的芯结构并且被至少部分地设置在由静止环基座112所限定的开口117内(见图5和图6)。如图5和图6所示，在一个实施例中，静止环基座112呈圆环形状、具有限定开口117的U形截面130。U形截面130包括基部134以及基本上垂直于基部134延伸的第一侧壁131和第二侧壁135。静止环背衬113的对应的尺寸和形状被设计成与静止环基座112相联接，以使得背衬113的至少一部分配合在基座112的开口117内并且填充所述开口，从而为涡轮机100提供芯结构。在各种实施例中，例如，背衬113由可浇注和/或可挤出的材料制成，所述可浇注和/或可挤出的材料例如为在制造过程期间分配到静止环基座112的开口117中的混凝土材料，其中，所述混凝土材料完全填满开口117并且硬化以形成背衬113。
在一个实施例中，如图3A所示，静止环背衬113可以包括静止环模具103，所述静止环模具环绕静止环背衬113的外周表面119(见图14和图15)设置，以形成背衬113的外壳。在这样的实施例中，模具103和静止环基座112可以共同形成内腔(即，形成在静止环模具103和静止环基座112之间)，所述内腔由形成静止环背衬113的材料填充。模具103例如可以配置成邻接旋转环结构104(例如，覆盖静止环基座112的旋转环基座105)，以形成涡轮机100的相对光滑的连续外表面。
因此，静止环背衬113被设计成用作涡轮机100的其他覆盖部件(例如，用于叶片支承环101、旋转环基座105和静止环基座112)的内部支承结构并且配置成在涡轮机100的操作期间在流体流内支承其他部件。静止环背衬113例如设计成支承压缩力(即，静止环背衬113设计成处于压缩中)，所述压缩力被从叶片支承环101与大致平行于旋转轴线A的单向流体流F相交的界面处传递通过涡轮机100。
本领域普通技术人员将理解的是根据本公开的涡轮机可以采用各种类型、形状和/或构型的背衬来支承涡轮机的压缩负载，所述背衬使用各种技术由各种材料制成，并且静止环背衬113和模具103仅是示例性。在另一个实施例中，如图22至图25所示，例如，水电能源系统(例如，涡轮机)200可以替代地仅采用静止环背衬213，所述静止环背衬被配置成直接邻接旋转环结构204(例如，旋转环基座205，所述旋转环基座覆盖静止环结构202的静止环基座212)，以形成涡轮机200的相对平滑的连续外表面，如下文进一步描述。
本领域普通技术人员还将理解，静止环背衬113和/或模具103可以采用各种附加部件和/特征在结构上支承涡轮机100。如图12至图15所示，静止环背衬113和静止环模具103中的每一个均可以包括一个或多个相应的开口141和140，所述一个或多个开口配置成接收并且支承涡轮机100的一个或多个支腿110(见图1、图3和图4)。支腿110可以被配置成例如当未部署涡轮机100时(例如，当涡轮机100未被支承在流体流F内时)支承涡轮机100。在一个实施例中，如图1、图3和图4所示，涡轮机100可以采用环绕静止环模具103的周边彼此等距间隔开的四个支腿110。
静止环基座112还包括多个第一发电元件122(诸如，例如，一个或多个层叠线圈122)和第一轴承材料126(诸如，例如，一个或多个轴承板126)。如图5至图7所示，静止环基座112可以例如包括布置在基部134和/或侧壁131和135内的一个或多个狭槽132，所述狭槽被配置成接收层叠线圈122和轴承板126。如图7A至图7E所示，静止环基座112可以具有狭槽132的各种布置，所述狭槽的各种布置被配置成接收层叠线圈122和轴承板126的各种布置，所述层叠线圈和所述轴承板的各种布置被定位且配置成与旋转环基座105上的对应磁体152和轴承板156的各种布置相互作用(参见图18A至图18E)，如下文进一步讨论的那样。本领域的普通技术人员将理解的是，关于图3至图7描述和示出的静止环基座112仅是示例性，并且本公开设想具有各种形状和构型且具有狭槽的各种布置的静止环基座，以用于接收第一发电元件122(例如，层叠线圈122)和第一轴承材料126(例如，轴承板126)的各种类型、构型和/或布置。
此外，用各种方法和/或技术，例如在下文进一步描述的打印过程期间，层叠线圈122和轴承板126可以位于狭槽132内。例如，在一个实施例中，层叠线圈122布置在具有铁背衬的环中，所述铁背衬被配置成将线圈122安装在狭槽132内。每个铁背衬均可以例如包括一个或多个栓钉(未示出)，所述栓钉与狭槽132相接合，并且层叠线圈122随后可以用环氧树脂固定就位在狭槽132内。在另一个实施例中，如图8至图10所示，层叠线圈122和轴承板126中的每一个都可以被封装在相应的块体(例如，型块体)121中，所述块体被配置成接收在基座112中的相应狭槽132内并且与所述相应狭槽132互锁，以使得线圈122和板126各自围绕静止环基座112的周边布置成环。每个块体121均可以例如包括凸起互锁特征123，所述凸起互锁特征被配置成与每个狭槽132内的对应的凹陷互锁特征133配合。如图11所示，层叠线圈122然后可以通过线束127连结在一起，以有助于将电力从涡轮机100传输至应用该涡轮机的应用，如本领域普通技术人员将理解的那样。例如，在一个实施例中，来自线束127的线可以从涡轮机100的支腿110引出。
如图3A进一步示出，旋转环结构104包括旋转环基座105，所述旋转环基座设置在静止环基座112的外周表面118(参见图5和图6)的径向外部。如图16和图17所示，在一个实施例中，旋转环基座105呈圆环形状，并且具有U形截面150而且包括基部153以及基本垂直于基部153延伸的第一侧壁151和第二侧壁157。旋转环基座105的尺寸和形状被对应地设计成覆盖静止环基座112并且与静止环基座112相联接。
与静止环基座112类似，旋转环基座105包括多个第二发电元件152(诸如，例如一个或多个层叠磁体152)以及第二轴承材料156(诸如，例如一个或多个轴承板156)。如图16至图18所示，旋转环基座105可以例如包括布置在基部153和/或侧壁151和157内的一个或多个狭槽154，所述狭槽被配置成接收层叠磁体152和轴承板156。如图18A至图18E所示，旋转环基座105可以具有狭槽154的各种布置，所述狭槽被配置成接收层叠磁体152和轴承板156的各种布置，所述层叠磁体和所述轴承板被定位并且配置成随着旋转环基座105相对于静止环基座112旋转而与静止环基座112上的对应层叠线圈122和轴承板126相互作用(见图7A至图7E)。本领域普通技术人员将理解，关于图3和图16至图18所描述和说明的旋转环基座105仅是示例性并且本公开设想了具有各种形状和构型而且具有各种狭槽布置的旋转环基座，用于接收第二发电元件152(例如，层叠磁体152)和第二轴承材料156(例如，轴承板156)的各种类型、构型和/或布置。磁体152和轴承板156还可以使用各种方法和/或技术(包括例如经由相应的型块体)位于狭槽154内(例如，在打印过程期间也是如此)，所述磁体和所述轴承板配置成被接收在基座105中的相应狭槽154内并且与相应狭槽154互锁，如上文关于线圈122和轴承板126所述。
旋转环结构104还包括叶片支承环101，所述叶片支承环设置在旋转环基座105的外周表面115(见图16和图17)的径向外部，使得其配置成与流体流F相互作用，以使得旋转环基座105相对于静止环基座112旋转。叶片支承环101包括多个叶片108，在图1的实施例中示出了八个叶片108，所述多个叶片配置成与流体流F相互作用。每个叶片108均可以例如具有相对于叶片支承环101径向向内延伸的第一叶片部分109和相对于叶片支承环101径向向外延伸的第二叶片部分107。
如图4、图19A和图19B所示，在一个实施例中，叶片支承环101包括多个叶片支承分段106，每个叶片支承分段106均包括多个叶片108中的一个，其中叶片支承分段106全部围绕旋转环基座105的外围成环布置。在这样的实施例中，如图16和图17充分所示，旋转环基座105可以包括布置在其外周表面115内的多个狭槽116，每个狭槽116均被配置成接收并且固定相应的叶片支承分段106。叶片支承分段106可以例如经由螺栓111固定在狭槽116内(见图4)。然而，本领域普通技术人员将理解的是，叶片支承分段106可以在不脱离本公开和权利要求的范围的前提下经由任何已知的方法和/或技术固定到狭槽116/固定在狭槽116内。
本领域的普通技术人员还应当理解，图4、图19A和图19B中所示的叶片支承环101仅是示例性并且根据本公开的叶片支承环可以包括各种形状、设计和/或构型的叶片108。在另一个实施例中，例如，如图20和图21所示，旋转环基座可以结合叶片支承环，使得旋转环基座和叶片支承环是单个整体式旋转结构155，其中叶片108围绕结构155的外周边布置。
如上文所讨论的那样，涡轮机100还包括至少一个轴承机构(例如，第一轴承材料126和第二轴承材料156)，其配置成在旋转环基座105围绕静止环基座112旋转期间相对于静止环结构102(例如，径向和/或轴向地)支承旋转环结构104。根据各种实施例，第一轴承材料126和第二轴承材料156可以包括定位在静止环基座112和旋转环基座105上的相应狭槽132和154内的水润滑的轴承板，如图7A至图7E和图18A至图18E所示。静止环基座112上的轴承板126可以包括例如由木材或木质复合材料制成的条带(诸如，例如可从弗吉尼亚州Powhatan县的Lignum-Vitae(铁梨木)North America商购获得)和/或复合材料(诸如，例如Vesconite材料)，而旋转环基座105上的轴承板156可以包括碳纤维和/或不锈钢材料。如图3A所示，轴承板126和156可以相对于彼此定位，以使得在涡轮机100的操作期间，产生间隙170(即，在静止环基座112与旋转环基座105之间的间隙)并且充满流体(例如，来自涡轮机所运行的环境中的水)，以润滑板126和156并且产生液体动压轴承效应。
换句话说，轴承板126可以沿着静止环基座112的外周表面118定位并且布置成与轴承板156相对，所述轴承板沿着旋转环基座105的内周表面114和/或外周表面114定位。这样，当系统中没有流体时，轴承材料相互摩擦(即，表面之间没有间隙)，而当引入流体(例如，海水)时，形成间隙170，使得在间隙170中流动的流体可以提供液体动压轴承效应(即，在板126和156的表面之间)以容纳涡轮机100的径向负载和轴向负载。当采用这种液体动压轴承时，如图40所示，涡轮机100还可以包括过滤机构180，所述过滤机构配置成在流体进入间隙170之前将流体流F中的碎屑和/或颗粒物质过滤掉，如下文进一步讨论的那样，并且如与本文同时提交的题目为“Filtration Systems and Methods for HydroelectricTurbines”的国际专利申请中所公开的那样，其全部内容通过引用并入本文。
如本领域普通技术人员将理解的那样，轴承机构(其包括上述液体动压轴承机构以及关于图3A、图7A至图7E和图18A至图18E所示和所述的轴承板126和156)仅仅为示例性并且可以具有由各种材料形成的板的各种布置和构型和/或可以结合任何已知的轴承机构和/或系统使用。各种附加实施例还设想将轴承材料直接打印到静止环基座112和/或旋转环基座105的表面上，如下文进一步讨论的那样。
此外，可以相对于静止环结构102(轴向和/或径向地)支承旋转环结构104的轴承的其他类型、构型和布置也是可能的，包括例如如图26至图29所示的磁性轴承。如图26所示，水电涡轮机300可以包括旋转环结构304(即，包括具有第二发电元件352的旋转环基座305以及叶片支承环301)，经由磁性轴承机构330相对于静止环结构302(即，包括具有第一发电元件322的静止环基座312，和静止环背衬313)支承所述旋转环结构。磁性轴承机构可以包括例如静止环基座312上的第一部分海尔贝克(Halbach)磁体阵列332，所述第一部分海尔贝克磁体阵列定位成与旋转环基座305上的第二部分海尔贝克磁体阵列334相对。根据各种实施例，类似于上述液体动压轴承，磁体阵列332和334可以相对于彼此定位，使得在涡轮机300运行期间，产生间隙370(即，在静止环基座312和旋转环基座305之间的间隙)并且充满有流体(例如，来自涡轮机所运行的环境中的水)，以分离并且有助于磁体阵列332和334之间的排斥效应。
在各种附加实施例中，如图27至图29所示，O形环335可以放置在间隙370内的各个位置处，以防止水干扰磁性轴承机构330(例如，进入容纳磁性轴承机构330的间隙370的一部分)。这种利用O形环335的布置可以有利于涡轮机300部署在富铁环境中的应用中，以防止流体流中的屑干扰磁性轴承机构。在这样的应用中，涡轮机还可以采用过滤机构，如上文所讨论的那样并且如在与本文同时提交的题目为“Filtration Systems and Methods forHydroelectric Turbines”的国际专利申请中所公开的那样。
本领域普通技术人员将理解的是，涡轮机100、200和300仅是示例性并且在不脱离本公开的范围的前提下可以采用使用各种旋转环基座设计和静止环基座设计的各种涡轮机设计、几何形状和构型，所述旋转环基座设计和静止环基座设计被各种不同几何形状的轴承间隙分开。
现在参考图30至图39，参照涡轮机100讨论了根据本公开的制造涡轮机的示例性方法。如上文所讨论的那样，本公开设想利用增材制造(AM)方法来打印静止环结构102以及旋转环结构104中的每一个，从而通过在打印过程期间将通常紧固到环102和104的零件集成到环本身中来简化涡轮机100。因此，先前需要单独附接至其中一个环的多个部件中的每一个以及用于附接单独部件的紧固件代表涡轮机中的潜在故障点，在使用根据本公开的AM技术制造的涡轮机中消除了所述潜在故障点。因此，通过尝试将多个组成零件合并为单个零件(合并为旋转环结构和静止环结构)，由于能够使零件更薄或以其他方式使用更少的材料，因此将需要更少的总材料，并且潜在故障点也将更少。
本公开的实施例还设想使用结构坚固的材料(诸如，例如，碳纤维增强的热塑性塑料)来打印静止环结构102和旋转环结构104中的每一个。尽管先前已经使用复合材料制造高强度的轻重量部件来制造水电涡轮机，但是增材制造(AM)则为进一步最大化叶片支承环的扫掠面积Ar与涡轮机的等效质量Meq之间的比率提供了机会。例如，每台涡轮机都可以设计成代表定制的整体解决方案，以满足特定需求，与此同时最大限度地提高发电量和投资回报。设计可以保存在设计文件中，然后在涡轮机组装期间现场打印。此外，静止环结构102和旋转环结构104中的每一个都可以容易地缩放(经由存储的设计文件)以适应涡轮机的各种应用和尺寸。通过这种方式，增材制造允许以前使用传统制造方法无法实现的涡轮机几何形状。因此，通过对增材制造打印进行编程，只需按一下按钮，就可以打印各种独特的涡轮机，以从在地表任何地方发现的各种自然流中收集流能量。
例如，如上文所讨论的那样，打印的水电涡轮机100可以具有简单的堆叠构型，其中首先打印静止环结构102，并且在静止环结构102上打印旋转环结构104。根据一个实施例，在初始步骤中，打印用于静止环结构的基座(即，静止环基座112)。在该打印期间，静止环基座112的U形主体(例如，具有U形截面130)形成有例如唇缘139(见图5、图6和图32)并且具有用于随后接收多个第一发电元件122和第一轴承材料126的狭槽132。可以使用在打印期间添加的各种材料来打印静止环基座112，如本领域普通技术人员所熟悉的那样。各种实施例设想例如使用结构坚固同时还耐腐蚀和抗生物污染的材料(诸如，例如碳纤维增强的热塑性塑料)来打印静止环基座。
在打印过程暂停期间，第一发电元件(例如，层叠线圈122)被插入并且固定在狭槽132内。可以使用各种技术和方法将线圈122安装在狭槽132内，所述各种技术和方法包括例如如上所述经由安装栓钉和经由互锁块体(例如，型块体)121内的封装。在各种实施例中，在该阶段，第一轴承材料126(例如，轴承板126)也可以以相同的方式安装在狭槽32内。
如图32所示，然后将打印的静止环基座112放置在刚性支承结构160内。刚性支承结构160包括内腔162(见图30和图31)，所述内腔成形并且配置成接收静止环基座112。然后将诸如静止环模具103的模具定位在静止环基座112的内周表面138上(例如，定位在静止环基座112的开口117上)，以在静止环模具103和静止环基座112之间形成内腔177(见图33至图36)。可以例如在打印过程的另一步骤中预先打印模具103，并且模具103可以被降低到保持静止环基座112的支承结构160上，如图32所示。在各种实施例中，静止环模具103可以包括一个或多个开口140，当静止环模具103定位在静止环基座112上时，所述开口位于与静止环基座112相对的位置。在此类实施例中，相应的支腿110随后可以通过所述一个或多个开口140中的每一个插入到内腔177中，并且支脚144可以安装到相应的支腿110中的每一个支腿上。
然后可以从刚性支承结构160移除部分涡轮机组件(即，包括静止环基座112和静止环模具103)并且将部分涡轮机组件翻转到支腿110上，使得该组件现在由支腿110和支脚144支承。在这个有利的位置，如图33所示，在各种实施例中，第一轴承材料126现在可以固定到静止环基座112的外周表面118。在一个实施例中，轴承板126形式的第一轴承材料126安装在静止环基座112的剩余狭槽132内。例如，经由如上所述的互锁块体(例如，型块体)121内的封装，如上所述。在另一个实施例中，代替将轴承板126安装在狭槽132内，可以使组件返回至打印机，并且可以将第一轴承材料126直接打印到静止环基座112的外周表面118上，如图35所示。在这样的实施例中，具有热聚合物或热塑性轴承材料特性的材料(诸如，例如Vesconite材料)可以以例如图7A至图7E中所示的各种构型直接打印到外周表面118的一个或多个部分上，例如打印在狭槽132内或作为饰面打印到平坦表面上(例如在未打印狭槽时)。如图35所示，轴承材料126还可以作为饰面打印在静止环基座112的整个外周表面118上。
如图34和图35所示，在各个实施例中，一旦安装第一轴承材料126，随后就将可磨损材料128的薄层插入在轴承材料126上。可磨损材料128被配置成例如在打印过程期间使得静止环结构102与旋转环结构104分离开(例如，使得分别位于静止环结构102和旋转环结构104上的轴承材料126和156分离)，并且然后当旋转环结构104开始相对于静止环结构102旋转时(例如，当涡轮机100安装在流体流F)磨损掉，以在结构102和104之间形成流体填充的间隙170。以这种方式，可磨损材料可以由这样的任何材料制成，所述材料将由于在旋转期间结构102和104之间所产生的摩擦而分解。例如，在一个实施例中，可磨损材料128可以包括插在轴承材料126上的一张纸片材。在另一个实施例中，可磨损材料可以包括直接打印在静止环结构112的外周表面118和第一轴承材料126上的可分解材料。
如图36所示，然后打印旋转环结构104的基座(即，旋转环基座105)。在打印过程的该部分期间，旋转环基座105的U形主体(例如，具有U形截面150)被打印在静止环基座112的外周表面118上(例如，打印在可磨损材料128上)。例如，旋转环基座105打印有对应的唇缘159(见图16、图17和图36)，所述唇缘被配置成与静止环基座112的唇缘139接合，并且旋转环基座105打印有狭槽154，以用于随后接收多个第二发电元件152和第二轴承材料156，并且旋转环基座105可选地打印有狭槽116，以用于随后接收叶片支承分段106。在一个实施例中，如图36所示，旋转环基座105还被配置成邻接静止环模具103，以在静止环结构102和旋转环结构104之间形成相对平滑的过渡(即，以形成涡轮机100的相对平滑的连续外表面)。与静止环基座112类似，旋转环基座105也可以使用在打印过程中添加的各种不同材料(如本领域普通技术人员所熟悉的材料)来打印。各种实施例还考虑使用结构坚固同时还耐腐蚀和抗生物污染的材料(诸如，例如碳纤维增强的热塑性塑料)来打印旋转环基座105。
在打印过程中的另一个暂停期间，第二发电元件(例如，磁体152)和第二轴承材料(例如，不锈钢板156)被插入并且固定在狭槽154内。可以使用各种技术和方法将磁体152和不锈钢板156安装在狭槽154内，所述各种技术和方法包括例如用环氧树脂将所述磁体和不锈钢板固定在狭槽内以及经由互锁块体(例如，型块体)121内的封装以用于插入狭槽154内，如上所述。在另一个实施例中，代替将轴承板156安装在狭槽154内，可以使组件返回至打印机，并且可以将第二轴承材料156以如图18A至图18E所示的各种构型直接打印到旋转环基座105的一个或多个部分上，例如，打印在狭槽154内或者作为饰面打印到平整表面上(例如，当没有打印狭槽时)。
为了形成静止环背衬113，部分涡轮机组件(即，旋转环基座105、静止环基座112和静止环模具103)随后可以返回至刚性支承结构160(例如，再次放置在刚性支承结构160的腔162内)，如图37所示。内腔162(见图30和图31)例如也被成形并且配置成接收旋转环基座105(其现在包括部分涡轮机结构的外层)。在这个有利的位置，如图37所示，静止环模具103相对于支承结构160向上延伸并且由支承结构160支承，使得内腔177(例如，在静止环模具103与静止环基座112之间)可以填充有芯材料。然后将芯材料泵入和/或挤出到内腔中，在所述内腔中所述芯材料可以硬化以形成静止环结构102的背衬113。在一个实施例中，例如，将混凝土挤出到腔177中以形成静止环背衬113。
然而，本领域普通技术人员将理解，静止环背衬113可以使用各种方法并且利用各种材料形成，包括但不限于通过将混凝土挤出到形成于静止环模具103和静止环基座112之间的腔177中。本领域普通技术人员将进一步理解的是，可以在打印过程期间的各个时刻形成静止环背衬113。例如，本公开的另外的实施例设想在该过程的早期阶段、在将支腿110安装在腔177中之前形成静止环背衬113(例如，用混凝土材料填充腔177)。
如图38和图39所示，然后再次从刚性支承结构160移除部分涡轮组件并且将其翻转回到支腿110上(即，再次由支腿110和支脚144支承)以暴露出旋转环基座105。然后，叶片支承环101被打印并且固定至旋转环基座105。如上文所讨论的那样，在一个实施例中，叶片支承环101被打印为多个单独的叶片支承分段106，其中每个叶片支承分段106均包括用于涡轮机100的相应叶片108。然后，叶片支承分段106固定在旋转环基座105的叶片狭槽116内，使得每个叶片狭槽接收相应的叶片支承分段106。叶片支承分段106可以例如经由螺栓111用环氧树脂和/或螺栓固定于狭槽116中(见图4)。在另一个实施例中，叶片支承环101可以作为单个整体结构直接打印到旋转环基座105上。
可以使用在打印过程中添加的各种不同材料由与旋转环基座105相同的材料打印叶片支承环101，如本领域普通技术人员所熟悉的那样。各种实施例再次考虑使用结构坚固同时还耐腐蚀和抗生物污染的材料(诸如，例如碳纤维增强的热塑性塑料)来打印叶片支承环101。如图44所示，各种附加实施例还设想仅打印叶片支承环101的外壳(例如，蒙皮)183，例如，仅打印每个单独的叶片支承分段106的外蒙皮183，使得叶片支承环101(例如，每个单独的分段106)均具有中空内腔187。然后，类似于上文讨论的静止环背衬113的形成，中空内腔187填充有可以硬化的芯材料，诸如，例如可浇注/可挤出的混凝土材料。
本领域普通技术人员将理解的是，上文参考涡轮机100描述的制造方法和打印过程仅是示例性，并且所设想的方法可以包括各种附加步骤，使得打印的部件(即，叶片支承环101、旋转环基座105、静止环基座112和静止环模具103)具有各种附加特征，并且这些步骤可以以不同的顺序执行。
在另一个实施例中，例如，如图40所示，旋转环结构104还可以被配置成接收放置在间隙170的上游的过滤机构180，使得流体流F在进入间隙170之前首先被引导通过过滤机构180，如在与本文同时提交的题目为“Filtration Systems and Methods forHydroelectric Turbines”的国际专利申请所公开的那样，其全部内容通过引用并入本文。在此类实施例中，叶片支承环101和旋转环基座105可以打印有一个或多个开口171，所述一个或多个开口各自均经由相应的通道172连接到间隙170。每个开口171被配置成接收相应的过滤机构(例如，过滤器)180，例如，每个开口171均可以可移除地接收相应的过滤机构180，使得可以容易地安装和移除过滤机构180，以用于维修和更换的目的。在各种实施例中，例如，在打印过程期间，开口171可以形成在每个叶片支承分段106(和对应的叶片狭槽116)中，或者形成在叶片支承环101的包括叶片108的部分中，使得开口171位于叶片部分107和109之间。
在又一个实施例中，如图45所示，旋转环结构104和静止环结构102的各个部分可以打印有表面纹理，使得涡轮机100的外表面190的一个或多个部分具有纹理。如图45所示，在一种实施例中，叶片支承环101、旋转环基座105和静止环模具103三者的部分可以打印有波纹，使得涡轮机100的整个外表面190(除了叶片108和支腿110之外)都形成有波纹。本领域的普通技术人员将理解，如本领域已知的各种类型和构型的纹理可以在打印过程期间应用于涡轮机的各种表面。
也在图41至图43中示出制造涡轮机200(见图22至图25)的修改方法。如上所述，涡轮机200仅采用静止环背衬213并且不包括作为背衬213的外壳的静止环模具203。因此，静止环背衬213被制造成直接邻接旋转环结构204以形成涡轮200的相对平滑的连续外表面，并且静止环模具203在打印过程期间被移除。如图41所示，与上述方法类似，预打印的静止环基座212被放置在支承结构260内，静止环模具203被定位在静止环基座212上(例如，以在静止环基座212和模具203之间形成腔277)，并且一个或多个支腿210被插入到静止环模具203中的相应孔240中。尽管未示出，但也如上所述，然后将组件翻转到支腿210上以固定轴承材料，插入可磨损材料并且打印旋转环基座205。如图42所示，然后组件可以返回到支承结构260，其中腔277填充有芯材料以形成静止环背衬213，如上文所讨论的那样。一旦形成静止环背衬213(即，芯材料硬化以呈现模具203的形状)，如图43所示，从背衬213移除模具203，并且再次从支承结构260移除组件以用于打印叶片支承环(未示出)。例如，对于较大的涡轮机应用而言，使用上述修改的方法可以是有利的，其中重复使用静止环模具203来制造多个涡轮机而不是为每个涡轮机打印新的静止环模具可以是有利的。
示出了示例性实施例的本说明书和附图不应被视为限制。在不脱离本说明书和权利要求书的范围(包括等同物)的情况下，可以进行各种机械、组成、结构、电气、和操作的改变。在一些情况下，众所周知的结构和技术未被详细示出或描述，以免混淆本公开。此外，参考一个实施例详细描述的元件及其相关特征在任何情况下都可以被包括在未具体示出或描述的其他实施例中。例如，如果元件参考一个实施例详细描述并且未参考第二实施例描述，则所述元件仍然可以被包括在第二实施例中。
应注意的是，当在本文中使用时，单数形式“一”、“一个”和“该”以及任何单词的任何单数使用包括复数指示物，除非明确且肯定地限定为一个指示物。当在本文中使用时，术语“包括”及其语法变体旨在是非限制性的，使得列表中叙述的项目不排除能够被替换或添加到所列项目的其他类似项目。
此外，本说明书的术语不旨在限制本公开。例如，诸如“上游”、“下游”、“之下”、“下方”、“下部”、“之上”、“上部”、“在前的”、“前部”、“后部”等的空间相对术语可以用来描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系，如图中的方向所示。这些空间相对术语旨在涵盖除了附图中所示的位置和方向之外，装置在使用或操作中的不同位置和方向。例如，如果附图中的装置是倒置的，则被描述为在其他元件或特征“之下”或“下方”的元件随后将在其他元件或特征的“上方”或“上”。因此，示例性术语“下方”可以包括在上方和在下方的位置和方向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或在其他方向)，并且相应地解释在本文中使用的空间相对描述语。
根据本文的公开内容，进一步的修改和替代实施例对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。例如，系统可以包括为了操作清晰起见而从图中和说明书中省略的附加组件。因此，本说明书仅被解释为说明性的，并且用于教导本领域技术人员实施本公开的系统和方法的一般方式。应该理解的是，本文示出和描述的各种实施例将被视为是示例性的。元件和材料、以及这些元件和材料的布置可以代替本文所示和描述的元件和材料，部件和过程可以颠倒，并且可以独立地利用本教导的某些特征，在受益于本文的描述之后，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。在不脱离本公开的范围的情况下，可以对本文描述的元件进行改变。
应该理解，本文阐述的特定示例和实施例是非限制性的，并且可以在不脱离本公开的范围的情况下对结构、尺寸、材料和方法进行修改。通过考虑本文公开的本发明的说明书和实践，根据本公开的其他实施例对于本领域技术人员而言将是显而易见的。期望的是，说明书和示例仅被认为是示例性的，并且有权享有其全部范围(包括等同物)。

Claims (50)

1.一种水电能源系统，所述水电能源系统包括：
静止环结构，所述静止环结构包括静止环基座和至少部分地设置在由所述静止环基座限定的开口内的静止环背衬，所述静止环基座具有多个第一发电元件；
旋转环结构，所述旋转环结构包括旋转环基座和设置在所述旋转环基座的外周表面的径向外部的叶片支承环，所述旋转环基座具有多个第二发电元件，其中，所述旋转环基座设置在所述静止环基座的外周表面的径向外部并且被配置成围绕一旋转轴线环绕所述静止环基座旋转；以及
至少一个轴承机构，所述轴承机构被配置成在所述旋转环基座环绕所述静止环基座旋转期间相对于所述静止环结构支承所述旋转环结构，
其中，在所述旋转环基座环绕所述静止环基座旋转期间，所述静止环背衬被配置成处于压缩中并且在沿着基本平行于所述旋转轴线的方向流动的流体流内以堆叠构型支承所述静止环基座、所述旋转环基座和所述叶片支承环。
2.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述叶片支承环包括多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片均包括相对于所述叶片支承环径向向内延伸的第一叶片部分和相对于所述叶片支承环径向向外延伸的第二叶片部分，所述多个叶片被配置成与所述流体流相互作用。
3.根据权利要求2所述的水电能源系统，其中，所述旋转环基座包括多个狭槽，并且所述叶片支承环包括多个叶片支承分段，每个所述叶片支承分段包括所述多个叶片中的一个叶片，所述旋转环基座的每个狭槽被配置成接收相应的叶片支承分段。
4.根据权利要求2所述的水电能源系统，其中，所述旋转环基座和所述叶片支承环是单个整体结构。
5.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述多个第一发电元件包括多个层叠线圈，所述层叠线圈中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体互锁在所述静止环基座中的相应狭槽内。
6.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述多个第二发电元件包括多个层叠磁体，所述层叠磁体中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体互锁在所述旋转环基座中的相应狭槽内。
7.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述静止环背衬包括混凝土结构。
8.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述静止环背衬包括静止环模具，所述静止环模具环绕所述静止环背衬的外周表面布置并且配置成与所述旋转环基座联接。
9.一种制造包括静止环结构和旋转环结构的水电能源系统的方法，所述方法包括：
打印用于所述静止环结构的基座，静止环基座在其外周表面内具有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽被配置成接收多个第一发电元件；
将静止环模具定位在所述静止环基座的内周表面上，以在所述静止环模具和所述静止环基座之间形成内腔；
将轴承材料固定到所述静止环基座的所述外周表面上；
将可磨损材料的薄层插入在所述轴承材料上，其中，在所述水电能源系统的操作期间，所述可磨损材料被配置成磨损掉以在所述静止环结构和所述旋转环结构之间形成轴承间隙；
在所述可磨损材料上打印用于所述旋转环结构的基座，旋转环基座具有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽被配置成接收多个第二发电元件；
用芯材料填充在所述静止环模具和所述静止环基座之间形成的所述内腔，所述芯材料被配置成硬化以形成所述静止环结构的背衬；和
打印包括一个或多个叶片的叶片支承环，每个叶片均从所述叶片支承环径向向内延伸且从所述叶片支承环径向向外延伸，所述叶片支承环配置成与所述旋转环基座相联接，以形成所述旋转环结构。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个第一发电元件包括层叠线圈环和铁背衬，所述铁背衬具有配置成将所述线圈安装在所述静止环基座的所述至少一个狭槽内的栓钉。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述多个第一发电元件插入到所述至少一个狭槽中，并且用环氧树脂将所述多个第一发电元件固定就位于所述至少一个狭槽内。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述静止环基座的所述至少一个狭槽包括多个狭槽，并且所述多个第一发电元件包括多个层叠线圈，所述层叠线圈中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体被配置成被接收在所述多个狭槽中的相应狭槽内并且与所述相应狭槽互锁。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述静止环模具定位在所述静止环基座上包括将所述静止环基座放置在刚性支承结构内以及使所述静止环模具降低到所述支承结构上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述静止环模具具有一个或多个开口，当所述静止环模具定位在所述静止环基座上时，所述一个或多个开口与所述静止环基座相对。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括将相应的支腿插入到所述一个或多个开口中的每个开口中。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括将支脚安装到所述相应的支腿中的每个支腿上。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括，在插入所述可磨损材料之前，从所述刚性支承结构移除所述静止环基座和所述静止环模具的组件并且经由所述支腿和支脚支承所述组件。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括，在填充所述静止环模具和静止环基座之间形成的所述内腔之前，将所述旋转环基座、所述静止环基座和所述静止环模具的组件放置在所述刚性支承结构内。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括，在打印所述叶片支承环之前，从所述刚性支承结构移除所述组件，并且经由所述支腿和支脚支承所述组件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，从所述刚性支承结构移除所述组件包括从所述静止环结构的所述背衬移除所述静止环模具。
21.根据权利要求9所述的方法，其中，用所述芯材填充所述内腔包括将混凝土挤出到所述内腔中。
22.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述轴承材料固定到所述静止环基座的所述外周表面包括将热塑性轴承材料的饰面打印在所述静止环基座的所述外周表面上。
23.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述轴承材料固定至所述静止环基座的所述外周表面包括沿着所述静止环基座的所述外周表面安装一个或多个轴承板。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个轴承板由Vesconite、铁梨木和/或不锈钢材料制成。
25.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述轴承材料固定至所述静止环基座的所述外周表面包括沿着所述静止环基座的所述外周表面安装一个或多个磁性轴承。
26.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述可磨损材料的薄层插入在所述轴承材料上包括将所述可磨损材料的薄层打印在所述轴承材料上。
27.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述水电能源系统的操作期间，所述轴承间隙配置成填充有流体以形成液体动力轴承。
28.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个第二发电元件包括层叠磁体环和铁背衬。
29.根据权利要求28所述的方法，所述方法还包括将所述多个第二发电元件插入到所述旋转环基座的所述至少一个狭槽中，并且将所述多个第二发电元件用环氧树脂固定就位在所述至少一个狭槽内。
30.根据权利要求9所述的方法，其中，所述旋转环基座的所述至少一个狭槽包括多个狭槽，并且所述多个第二发电元件包括多个层叠磁体，所述层叠磁体中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体被配置成被接收在所述多个狭槽中的相应狭槽内并且与所述相应狭槽互锁。
31.根据权利要求9所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括将所述叶片支承环作为单个整体结构直接打印到所述旋转环基座上。
32.根据权利要求9所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印多个叶片支承分段，每个所述叶片支承分段包括相应的叶片。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述旋转环基座包括多个叶片狭槽，每个所述叶片狭槽配置成接收相应的叶片支承分段，使得所述叶片支承分段的叶片既从所述旋转环基座径向向内延伸又从所述旋转环基座径向向外延伸。
34.根据权利要求33所述的方法，所述方法还包括将相应的叶片支承分段固定到所述多个叶片狭槽中的每个叶片狭槽中。
35.根据权利要求9所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印所述叶片支承环的外蒙皮，所述外蒙皮具有中空内腔。
36.根据权利要求35所述的方法，所述方法还包括在打印所述外蒙皮之后，用芯材料填充所述中空内腔。
37.一种制造用于水电能源系统的静止环结构的方法，所述方法包括：
打印用于所述静止环结构的基座，所述基座具有带U形截面的圆环形状，其中所述U形截面包括基部以及基本上垂直于所述基部延伸的第一侧壁和第二侧壁，所述基座具有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽配置成接收多个发电元件；
将所述多个发电元件固定在所述基座的所述至少一个狭槽内；
用模具覆盖所述基座，使得所述模具邻接所述第一侧壁和第二侧壁，并且所述基座和模具一起限定密封的内腔；和
用芯材料填充所述内腔，所述芯材料被配置成硬化以形成所述静止环结构的背衬。
38.根据权利要求37所述的方法，所述方法还包括将轴承材料固定至所述基座的外周表面。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述模具具有一个或多个开口，当所述模具覆盖所述基座时，所述一个或多个开口定位成与所述基座相对。
40.根据权利要求39所述的方法，所述方法还包括将相应的支腿插入到所述一个或多个开口中的每个开口中。
41.根据权利要求40所述的方法，所述方法还包括将支脚安装到所述支腿中的每个上。
42.根据权利要求37所述的方法，其中，用所述芯材料填充所述内腔包括将混凝土挤出到所述内腔中。
43.根据权利要求37所述的方法，其中，所述多个发电元件包括多个层叠线圈，所述多个层叠线圈中的每个被封装在相应的块体中，并且其中将所述多个发电元件固定在所述至少一个狭槽内包括将所述块体的每一个块体互锁在所述至少一个狭槽的相应狭槽内。
44.一种制造用于水电能源系统的旋转环结构的方法，所述方法包括：
打印用于所述旋转环结构的基座，所述基座具有带U形截面的圆环形状并且具有至少一个狭槽，所述至少一个狭槽配置成接收多个发电元件；
将所述多个发电元件固定到所述基座的所述至少一个狭槽中；和
打印包括一个或多个叶片的叶片支承环，每个叶片既从所述叶片支承环径向向内延伸，又从所述叶片支承环径向向外延伸，所述叶片支承环被配置成与所述基座相联接以形成所述旋转环结构。
45.根据权利要求44所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括将所述叶片支承环作为单个的整体结构直接打印到所述旋转环基座的外周表面上。
46.根据权利要求44所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印多个叶片支承分段，每个所述叶片支承分段包括相应的叶片。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述基座包括多个叶片狭槽，每个所述叶片狭槽配置成接收相应的叶片支承分段，使得所述叶片支承分段的叶片既从所述基座径向向内延伸又从所述基座径向向外延伸。
48.根据权利要求47所述的方法，所述方法还包括将相应的叶片支承分段固定到所述基座的所述多个叶片狭槽中的每个叶片狭槽中。
49.根据权利要求44所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印所述叶片支承环的外蒙皮，所述外蒙皮具有中空内腔。
50.根据权利要求49所述的方法，所述方法还包括在打印所述外蒙皮之后，用芯材料填充所述中空内腔。
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