CN1809695B - 一种用于管型涡轮机的装置以及包含该装置的泵 - Google Patents

一种用于管型涡轮机的装置以及包含该装置的泵 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于管型涡轮机的装置，将所存储的液体的势能转化为电能，或将电能转化为液体的势能，该装置包括一对旋转单元和各自固定的壳体，该旋转单元被安置在固定的壳体中，每个旋转单元包括：叶轮，该叶轮被布置成能相对各自固定的壳体围绕旋转轴线转动，每个叶轮包括叶片且每个叶轮与各自的发电机或电动机相连，以在旋转速度或电力功率方面彼此独立地得到控制，通过叶片与能量转化中采用的液体的相互作用转动叶轮，其中该装置被这样布置：叶轮被布置成具有公共的旋转轴线以相对彼此独立旋转，其中叶轮的叶片具有相反的斜面，各自的旋转单元的叶轮被布置成不在旋转轴线处被支承，而被由固定的壳体提供的轴承支承，其中轴承是借助在叶轮旋转期间叶轮和固定的壳体之间包含的液体而形成的流体动力轴承。

Description

一种用于管型涡轮机的装置以及包含该装置的泵
技术领域
本发明涉及一种管型涡轮机的装置，用于将所存储的水的势能转化为电能，或者将电能转化为水的势能。这种装置也可以叫做液力机械(水电机械)，其既可以作为具有发电机的水轮机，也可以作为具有液泵的电动机。
本发明还涉及包括这种管型涡轮机的装置的用于驱动船舶的泵。
背景技术
瑞士专利说明书606.793公开了一种具有管型涡轮机或泵的装置，该装置包括一个叶轮，该叶轮具有一个大体水平的轴和不可调节的叶片。可以把这种液力机械作为涡轮机使用，将所存储的水的势能转化为电能，还可以把这种液力机械作为泵使用，将电能转化为水的动能。但是这种技术方案效率较低。
瑞士专利说明书606.801公开了一种具有管型涡轮机或泵的类似装置。但是，这种装置中叶轮的叶片是可调节的。对于这种液力机械，叶轮的轴颈在固定轮毂的内部，该固定轮毂支承着导向叶片，并产生叶轮轴的端部所需的间隙。这种技术方案也没有产生令人满意的效率。
从美国专利说明书3.353.028(Braikevitch等人于1964年申请)中公知了这样的技术方案，即，通过磁耦合在中心支承的涡轮机叶轮上安装外环，该外环被具有永磁体的转子环推动。该转子环被滚珠轴承支承。固定的导向叶片安置在涡轮机叶轮前端的上游。无论从安装成本还是从效率和养护方面来看，这种结构并不是特别有利的。
从美国专利说明书3.422.275(Braikevitch等人于1965年申请)中公知了一种类似的涡轮机，该涡轮机也是中心支承的，并具有可调节的导向叶片，至于其它方面，该涡轮机具有前述水轮机的相应结构。
从瑞典专利说明书9600118(Nilsson于1996年申请)中公知了这样的技术方案，即，利用两个反向转动的涡轮机叶轮，这两个叶轮通过固定的传动装置机械连接。这种涡轮机具有中心支架和轴，用于将转矩传递给外部的发电机。这种涡轮机由于其结构、涡轮机叶轮的数量以及运行条件的原因，将具有较低 的效率。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种前序部分所述的液力机械，可以用于两个或多个反向转动的叶轮，该机器可以作为涡轮机和泵使用，并且同相关公知装置相比可以获得更好的效率。
本发明的另一个目的是提供一种转子-定子结构和轴承，该轴承可以避免产生密封问题，而密封问题会导致泄漏和养护问题。
本发明的另一个目的是提供一种用于模块化设计的装置，因此可以以灵活的方式在给定的装置上安装模块化单元。这种模块化单元需要被设计为当更换或维修时只需要尽可能小的工作量就可拆除。
最后，所述类型的装置必须能够以最低的结构上和经济上的成本被安装，尤其是，对于旋转部件的轴承来说需要一种结构简单和廉价的解决方案。
依据本发明，一种用于管型涡轮机的装置，用于将所存储的液体的势能转化为电能，或者将电能转化为液体的势能，该装置包括一对旋转单元和各自固定的壳体，该旋转单元被安置在固定的壳体中，每个旋转单元包括：叶轮，该叶轮被布置成能相对各自固定的壳体围绕旋转轴线转动，每个叶轮包括叶片且每个叶轮与各自的发电机或电动机相连，以在旋转速度或电力功率方面彼此独立地得到控制，通过叶片与能量转化中采用的液体的相互作用转动叶轮，其中该装置被这样布置：叶轮被布置成具有公共的旋转轴线以相对彼此独立旋转，其中叶轮的叶片具有相反的斜面，其特征在于，各自的旋转单元的叶轮被布置成不在旋转轴线处被支承，而被由固定的壳体提供的轴承支承，其中轴承是借助在叶轮旋转期间叶轮和固定的壳体之间包含的液体而形成的流体动力轴承。
依据本发明，每个固定的壳体包括定子线圈定子线圈被布置成由流体动力轴承液体冷却。
依据本发明，旋转单元还包括永磁体，该永磁体被布置成由流体动力轴承液体冷却。
依据本发明，旋转单元和固定的壳体被布置成其间形成间隙，间隙用来产生各自的流体动力轴承。
依据本发明，叶轮被布置成是反向转动的。
依据本发明，发电机或电动机的转子分别包含边缘，边缘用于连接每个叶 轮的叶片的外端部，这样叶轮、边缘和转子的场磁体形成该旋转单元，该旋转单元在处于装置水中部分的环道的水中转动。
依据本发明，场磁体是永磁体。
依据本发明，发电机成电动机的线圈分别绕转子被布置在环道中。
依据本发明，转子的边缘被包含在轴向轴承内，轴向轴承位于与装置水道相对的环道的边缘处。
依据本发明，该固定的壳体提供用于每个叶轮的水道，该水道包括可以被布置在管道内的凸缘轴承管部件，该凸缘轴承管部件具有相应的凸缘轴承端部。
依据本发明，凸缘轴承管部件可以在横向方向上在定子的中心区域被分开，用于安装转子。
依据本发明，该固定的壳体的每个提供凸缘轴承管部件，该凸缘轴承管部件形成模块化单元装置，用于装配若干个这种连续的模块化单元，其中所含的叶轮的旋转方向是变化的。
依据本发明，叶轮的轮毂与凸缘轴承管部件具有大体相同的长度，所有模块化单元具有大体相同的外部直径。
依据本发明，该装置被这样布置：通过非旋转导向叶片的插入使叶轮以相同的方向旋转，所述非旋转导向叶片位于相邻的叶轮之间。
一种用于驱动船舶的泵，包括如前述技术方案中任一个所述的装置。
接下来描述本发明的优点，尤其是与具有发电机的水轮机这样的装置连接时的优点。但是本发明作为泵使用时也可以获得相应的效果。
通过利用本发明的装置，尤其是通过选择相互独立并且反向转动的叶轮的数量，使得水中能量的转化可以获得比公知装置明显更好的效率。另外，同公知涡轮机尤其是管型涡轮机相比，本发明的装置可以通过与能量相关的有利方式使用更高的压力和/或水头。
一个重要的优点包括，同瑞典专利申请9600118的装置相比，可以更好地安装发电机单元和各个叶轮，并通过这种方式提高效率。
另一个优点包括，这种类型的轴承与公知的中心轴承相比更简单，且需要的养护更少。
最后，对模块化单元的使用使得生产和装配的效率更高。
为了获得能量转化的最优结果，需要使本发明中液力机械最重要的部件与 工作区域的相关能量和结构环境相适应。
本发明的装置作为涡轮机的运行模式时，其将会获得水压的逐涉降低，因此，通过两个或多个涡轮机部件的结合，可以获得最佳可能的能量输出和能量转化的最佳效率，所述两个或多个涡轮机部件可以相互轴向连接。已经流过叶轮并已经流出叶轮的水实际上已不含有可利用的压力和动能。
尤其是通过采用多于两个的涡轮机部件，下述叶轮的反应程度的等级可能不可避免地提供最佳能量转化。
上述与作为涡轮机的液力机械应用的连接是以一定的方式进行的，其中可以进行一定的改进和/或相应的变化，当上述装置作为泵使用时所述方式也是有效的，只是其中的发电机变成了电动机。
据发现，当提供的本发明装置具有水润滑的流体动力滑动表面轴承时，同样是在装置的没有完全封闭结构的旁路的情况下，不但可以获得期望的轴承效果，而且可以获得流过运动部件和非运动部件之间空间的沿一定方向流动的稳定流，所述运动部件和非运动部件之间的空间也就是旋转单元边缘的区域和装置的固定部分之间的空间。为了获得滑动表面轴承连接的这种功能，使用了与轴承相关的流体动力学理论来帮助理解。
作为流体动力滑动表面轴承的一个优选实施例，流过装置的水的一部分作为滑动表面轴承的润滑剂。至于其余部分，也可以以这样的方式设计滑动表面轴承，水以预定的方向穿过该滑动表面轴承的部件之间的空间中，所述水起到润滑剂的作用。对于滑动表面轴承的这种设计来说，需要补充的是，作为连续的流体穿过滑动表面轴承间隙的结果，可以使所述发电机或发动机的线圈得到冷却，以及使转子的永磁体得到冷却。
为了减少摩擦损失，可以给这种滑动表面轴承相关的侧部区域提供减少摩擦的涂层，例如聚四氟乙烯或具有类似效果的材料。在轴承区域是圆柱体形式的情况下，这种涂层也是有利的，圆柱体形式的轴承区域对于流体动力上的平衡压力是必要的，该平衡压力对水平布置的旋转单元产生支承力。这是因为只有当运动部件具有足够的旋转/转速时，流体动力滑动表面轴承才能发挥其作用，因此从轴承开始运行到轴承开始起作用(Stribeck曲线的最低点)的期间存在着混合摩擦，可以通过那些互相接触的表面上的减少摩擦用的涂层来显著地降低该混合摩擦的大小。
在本发明范围内，被设计为管型涡轮机的液力机械的叶轮只包含一个外部轴承，这意味着在旋转单元边缘的区域上提供了独有的一个轴承。另外，如果需要的话，也可以在叶轮的轮毂区域安置一个轴承，例如，可以以机械方式调节穿过轮毂的叶轮的叶片。
为了避免形成不必要的涡流及涡流引起的能量损失，并且获得管型涡轮机的紧凑结构，叶轮的轮毂具有大体相等的外部横截面积。此外，有利的是，叶轮的轮毂的相邻端之间的距离相对较小。
发电机或电动机线圈的耦合可以通过电控电路来进行，从而使能量的转化得到优化。
附图说明
接下来，通过图1-3中的实施例来详细说明本发明，其中
图1是按照本发明装置的示意性的透视图，
图2示意性地示出了按照本发明装置的局部截面图，其中具有该装置的旋转单元和固定部分，固定部分分配给旋转单元，而
图3是按照图2中的装置沿剖切线III-III看的局部截面图。
具体实施方式
图1所示是按照本发明的装置1，其主要包括双向管型涡轮机2，位于压力侧的压力室3，该压力室3位于管型涡轮机2的入口，以及吸入管4，该吸入管4位于吸入侧，该吸入侧也是管型涡轮机2的出口。
压力室3具有的长度是其直径的若干倍，该压力室3的横截面沿其长度是大体恒定的，吸入管4的横截面向着其自由端5的方向逐渐变宽。
管型涡轮机2，压力室3和吸入管4互相连接，并以这样的方式位于其安装位置上，在本实施例的情况下，三者沿它们的轴以相同的、大体水平的方向布置。这样提供了水从入口分别导向压力室3和管型涡轮机2的最佳可能的直线路径，直至水离开吸入管4，压力室3用于在涡轮机之前建立压力和整平水流，从而获得最佳可能的完全无旋流体。
图2示意性地示出了双向管型涡轮机2的截面图。管型涡轮机2包括两个涡轮机部件6和7。涡轮机部件6、7分别包括旋转单元8和9，旋转单元8和9分别可旋转地绕公共几何轴线12支承在管状涡轮机壳体10和11内。为了分别在涡轮机壳体10和11内支承旋转单元8和9，提供了流体动力滑动表面轴承， 在后面分别称为“轴承”13和14。轴承13和14分别封有间隙15和16，间隙15和16中含有流体动力学上的有效流体，该有效流体产生流体动力的平衡压力，一方面，分别形成固定区域17和18，从而分别形成装置1的涡轮机壳体10和11的区域，另一方面，分别形成位于旋转单元8和9的边缘21和22上的区域19和20。间隙15和16的形成，使得在管型涡轮机2运行期间，分别流过间隙15和16的流体由流过装置1的水的一部分提供。通过这种方式，不仅可以通过形成相关的平衡压力来获得期望的轴承效果，而且定子线圈可以被冷却，可能旋转单元8和9的转子的永磁体也可以分别获得冷却。因此，通过相关的结构和间隙15、16的通路，流过间隙15和16的流体沿预定的方向流动，例如图2中所示，分别沿箭头23和24所指的方向。为了获得这种功能，有关轴承的流体动力学理论给出了理论基础，因此对于这种连接中不必详细说明结构上的细节。
如图2所示，轴承13和14的间隙15和16相对于旋转单元8和9的径向中平面是分别逐步地和不均匀地形成的。
除了轴承13和14所述的结构上的设计外，这些结构也可以不仅设计为轴向有效的轴承，也可以设计为取消径向力，在一个管型涡轮机的实施例中，径向力在大体水平的方向上是有效的。不仅分开示出了轴承13、14的侧翼的环状区域，而且形成实际的流体动力轴承的圆柱形区域都可以涂敷减少摩擦的材料，如Teflon(商标)，上述分开示出的轴承13、14的侧翼的环状区域一方面分别形成旋转单元8和9的区域，另一方面被指定给装置1的固定区域。
旋转单元8和9分别包括叶轮(装有叶片的)25、26，所述边缘21、22和转子27、28。转子27、28分别包含永磁体29、30的环形排。绕着转子分别布置着一排定子线圈31、32，通过这种方式形成发电机的定子。在涡轮机壳体10、11内，定子线圈31、32被紧固在环内，所述环分别被紧固在环道44、45上。转子27、28分别通过有关的边缘21、22连接到单元上，并与所述定子一起形成最重要的元件。
叶轮25主要包括轮毂33、固定在轮毂33上的不可调节的叶片(翼片)34以及边缘21，该边缘把叶片34的外端部稳固地互相连接在一起。
叶轮26主要包括轮毂35、紧固在轮毂上的不可调节的叶片(翼片)36以及边缘22，该边缘22把叶片36的外端部连接在一起。
叶轮25的叶片34相对于轮毂33的几何轴线12以如下这样的方式设计和调整/校准，叶片34对箭头37所示流体产生沿逆时针方向冲击叶轮25压力侧的作用。该作用的程度主要取决于叶轮25的负荷，也就是有关的发电机消耗的动力。相反，叶轮26的叶片36相对于轮毂35的几何轴线12以如下这样的方式设计和调整/校准，叶片36对离开叶轮25吸入侧然后立即到达叶轮25压力侧的流体产生沿顺时针方向的作用。因此，在管型涡轮机2内，相互立即随动的这两个叶轮25、26沿互相相反的方向旋转。
沿径向方向看，叶轮25、26的轮毂33、35分别具有至少基本相同的横截面积，最好在它们的相邻端部38、39封有相对较小的空间。
优选地，叶轮25、26分别具有相同数量的叶片34和36。同样地，对于分别紧固到转子27、28上的永磁体29和30的数量选择，优选提供相同数量的磁体。根据安装区域中个体能量条件以及管型涡轮机发电方式的情况，也可以使所选的叶片34、36的数量，和/或在涡轮机部件6、7的转子27、28上的永磁体29、30的数量-或甚至多个涡轮机部件的转子上的永磁体的数量是不同的。与此相关的是，分别相互电连接的线圈31和32既可以采用串联方式也可以采用并联方式。
涡轮机壳体10、11用于分别容纳旋转单元8、9，优选地，涡轮机壳体10、11被设计为互相类似，并优选地被设计为环形，涡轮机壳体10、11分别配备有合作连接凸缘40和41，并分别连接有钻孔42和43，合作连接凸缘40和41示于图中，用于安装未图示的连接螺栓。通过这种方法，可以依靠一组部件把两个或多个涡轮机部件互相连接，以及将涡轮机部件分别与吸入管和压力室连接，只要把相应的一个端部设计为一个完整的装置。涡轮机壳体10、11在具有环道44、45的径向平面上是可分开的，因此可以对具有转子的叶轮进行安装和拆除。
另外，可以在发电机线圈31、32-可以互相串联或并联-的电路中提供公知的电路装置，用于优化装置的能量转换，例如，使用电路元件来分配各个涡轮机部件的发电机消耗的能量，使相关的叶轮上发生相应的作用，并且优化能量输出或总的叶片功率。
如果将本发明的装置设计为一种泵，则该装置可以用于连接水电站或作为船舶的驱动装置。
同样，本发明的装置可以设计为这样的方式，通过固定部件的插入使叶轮 以相同的方向旋转，所述固定部件具有在这些叶轮之间的导向叶片。同样，通过对叶轮的单独控制可以获得较高的效率。也可以给导向叶片提供可调节的斜面。

Claims (15)

1.一种用于管型涡轮机的装置(2)，用于将所存储的液体的势能转化为电能，或者将电能转化为液体的势能，该装置(2)包括一对旋转单元(8、9)和各自固定的壳体(10、11)，该旋转单元(8、9)被安置在固定的壳体(10、11)中，每个旋转单元(8、9)包括：
叶轮(25、26)，该叶轮被布置成能相对各自固定的壳体(10、11)围绕旋转轴线(12)转动，每个叶轮(25、26)包括叶片(34、36)且每个叶轮与各自的发电机成电动机相连，以在旋转速度或电力功率方面彼此独立地得到控制，通过叶片(34、36)与能量转化中采用的液体的相互作用转动叶轮(25、26)，
其中该装置(2)被这样布置：叶轮(25、26)被布置成具有公共的旋转轴线(12)以相对彼此独立旋转，其中叶轮(25、26)的叶片(34、36)具有相反的斜面，
其特征在于，各自的旋转单元(8、9)的叶轮(25、26)被布置成不在旋转轴线(12)处被支承，而被由固定的壳体(10、11)提供的轴承(13、14)支承，其中轴承(13、14)是借助在叶轮(25、26)旋转期间叶轮(25、26)和固定的壳体(10、11)之间包含的液体而形成的流体动力轴承。
2.如权利要求1所述的装置(2)，其特征在于，每个固定的壳体(10、11)包括定子线圈(31、32)，定子线圈被布置成由流体动力轴承液体冷却。
3.如权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，旋转单元(8、9)还包括永磁体(29、30)，该永磁体被布置成由流体动力轴承液体冷却。
4.如权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，旋转单元(8、9)和固定的壳体(10、11)被布置成其间形成间隙(15、16)，间隙(15、16)用来产生各自的流体动力轴承。
5.如权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，叶轮被布置成是反向转动的。
6.如权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，发电机或电动机的转子(27)分别包含边缘(21)，边缘(21)用于连接每个叶轮(25)的叶片(34)的外端部，这样叶轮(25)、边缘(21)和转子(27)的场磁体形成该旋转单元(8)，该旋转单元(8)在处于装置水中部分的环道(44、45)的水中转动。
7.如权利要求6所述的装置(2)，其特征在于，场磁体是永磁体。
8.如权利要求6所述的装置(2)，其特征在于，发电机或电动机的线圈分别绕转子(27)被布置在环道(44、45)中。
9.如权利要求6所述的装置(2)，其特征在于，转子(27)的边缘(21)被包含在轴向轴承(13、14)内，轴向轴承(13、14)位于与装置水道相对的环道(44、45)的边缘处。
10.如权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，该固定的壳体(10、11)提供用于每个叶轮的水道，该水道包括可以被布置在管道内的凸缘轴承(40、41)管部件，该凸缘轴承(40、41)管部件具有相应的凸缘轴承端部。
11.如权利要求6所述的装置(2)，其特征在于，所述装置还包括凸缘轴承管部件，所述凸缘轴承管部件可以在横向方向上在定子的中心区域被分开，用于安装转子(27)。
12.如权利要求6所述的装置(2)，其特征在于，该固定的壳体(10、11)的每个提供凸缘轴承管部件，该凸缘轴承管部件形成模块化单元装置，用于装配若干个这种连续的模块化单元，其中所含的叶轮的旋转方向是变化的。
13.如权利要求12所述的装置(2)，其特征在于，叶轮的轮毂(33)与凸缘轴承管部件具有大体相同的长度，所有模块化单元具有大体相同的外部直径。
14.如权利要求1或2所述的装置(2)，其特征在于，该装置被这样布置：通过非旋转导向叶片的插入使叶轮以相同的方向旋转，所述非旋转导向叶片位于相邻的叶轮之间。
15.一种用于驱动船舶的泵，包括如前述权利要求任一个所述的装置(2)。
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