CN1926329B - 具有水轮机和发电机的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有水轮机(2)以及转子发电机(1)的装置，转子发电机(1)的转子(4)连接到水轮机(2)。水轮机(2)具有至少三个轴向设置的叶片(5)。根据本发明，每个叶片(5)都单独地直接连接到发电机(1)的转子(4)上。本发明还涉及利用所发明的装置通过水下水流发电的用法。

Description

具有水轮机和发电机的装置

技术领域

本发明涉及一种具有水轮机和转子发电机的装置，其中发电机的转子连接到水轮机上，其中水轮机具有至少三个轴向叶片的一组叶片。 

背景技术

本发明首先但并非唯一地提出了通过海洋和河道中的水下水流产生电能的实施方式。海流可以由潮水、温差或者盐度差、地球自转带来的地球自转偏向力(例如墨西哥暖流)、水平高度差(例如海峡的两个侧面)所引起。 

海流中的水流速度通常是比较缓和，例如典型地几米/秒，最快不会超过5米/秒。在无规则的河道中，水流速度通常是在同样的量级，但是会是增快到10-15米/秒的急流。 

目前，由水下水流提供的能源只有很少一部分被用于发电。其最重要的原因是由于难以获得由经济竞争力的技术，用于以此种方式发电。在这个背景下，问题之一是流速较低。利用这样的水流中的能源，就需要采用具有低转速、大扭矩的水轮机。 

在这些条件下，较适宜的水轮机类型是具有轴向设置的叶片的。常规地，这种类型的水轮机上设有叶片，通过几个大致呈径向设置的支架，叶片连接到轴上，而轴依次连接到发电机的转子上。 在要求相对较大尺寸的水轮机的应用实例中，加载在支撑叶片的结构上的压力加大。这会引发结构扭曲和振动的风险，从而引起叶片底座的结构失效，并伴随效率降低。如果驱动水轮机的水流不稳定，例如速度和流向发生波动，那么上述风险会特别地敏感。可能有这样的情况，例如在特定类型的水下水流中，水面的波动和潮水会在其它的方面影响本来稳定的水流。而且，所必需的承重结构使水轮机结构复杂且笨拙。 

本发明的目的就在于消除或者至少是减少这些问题。 

发明内容

本发明提供了一种具有水轮机和转子发电机的装置，该转子发电机的转子连接到水轮机，该水轮机具有至少三个轴向设置的叶片，在该装置中，每个叶片单独地(individually)直接连接于发电机转子上。通过这一装置达到上述所设定的目的。 

通过让转子直接承载叶片，消除了叶片对于特定的承载结构的需要。转子，通常是相对结实并且坚固的实体，至少在叶片的一端提供了良好的支撑。从而，叶片具有了更精确而且更稳定的位置。此外，由于承重结构变得简单好多，而且与基于其它原因而设置的大尺寸零件成为一体，使装置的整体复杂度降低。所以，在需要较大装置而且水流条件不稳定的情况下，根据本发明的装置是非常有利的。 

根据装置的一个优选实施例，水轮机具有第一组叶片，朝向转子第一方向；以及第二组叶片，朝向转子的相反方向；其中每组至少包括三个叶片。 

这使整个装置获得了一个成为对称体的优势，有利于承受不同类型的作用力。这种双向的设置，还使每个叶片可以被制造得更短， 

根据另一优选实施例，第一组的每个叶片都与第二组中的一个叶片设置于同一直线上。从而，其结果就是，装置的对称性和更稳定运行的特性被额外地增强。 

根据另一优选实施例，被调准设置的叶片，彼此直接以机械方式互相连接。从而，获得了如下优势，即通过作用于一个叶片上的弯曲力由作用于另一个叶片上的弯曲力来承担的事实，使每对叶片彼此加固。 

根据另一优选实施例，每个叶片通过撑杆的方式被支撑在一起。虽然根据本发明的装置原则上由于直接由转子获得支撑，省去了设置撑杆的必要，但是给叶片设置辅助支撑，以提高叶片的稳定性，也经常会是有利的。然而，在传统的水轮机中，叶片完全由支撑结构承载，与之相比，上述的支撑装置还是相当简单并且较弱的。这是由于叶片事先已经有转子承载，并且获得了坚固性。 

根据另一优选实施例，支撑装置具有将叶片彼此连接的件。从而，可以以简单的方式获得支撑。 

根据一个优选实施例，所述件由每个叶片径向向内设置，并且于其径向最内侧的一端彼此相连。根据一个可选优选实施例，伸展于每个叶片之间的件靠近圆周方向。 

在两种可选模式中，通过形成支撑装置的相对简单的件的结构设计，使支撑方式变得稳定。 

根据另一优选实施例，每个叶片通过接合装置连接到转子。从而，可以消除由来自叶片、施加于转子的有害弯矩和扭矩的传递。 

根据另一优选实施例，转子具有永久磁铁，从而转子会更加坚固，而且在能量的电磁转换过程中，不受操作干扰的影响。 

根据另一优选实施例，定子被封装于防水外壳中。从而，发电机以适当的方式适应于在水下环境动作。 

根据另一优选实施例，转子在径向设置于定子之外，并与定子位于同一轴平面之内。从而，装置在轴向和径向都更加紧凑。 

根据另一优选实施例，定子由高压电缆缠绕，其具有导电材料的芯、包围导电材料的半导体材料构成的第一层、包围第一层的绝缘材料层以及包围绝缘材料的半导体材料构成的第二层。 

通过这样的缠绕方式，由于周围的电场变得均匀，其可以传导电压很高的电流。从而，由于电流可以被控制得较低，可以降低损耗和热量散失。 

根据另一优选实施例，发电机的定子可转动，并且连接于第二水轮机，该第二水轮机被设置用于沿和转子相反的方向转动定子。 

在线圈中传导的电动势E，由法拉弟定律，以下述公式确定： 

$E=-N\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dt}}$

其中，N是转数，φ是磁通。这就是说，在转动较慢的转子中，dφ/dt较小，从而导出的电动势也较小。然而，定子也转动，而且其转动方向与转子转动方向相反，转子和定子之间的相对运动是其转动速度的总和。从而，项dφ/dt也会相应增大。从而，如果定子与转子的转动速度一致，上述项将需要翻倍，结果产生的是静止定子中产生的电动势两倍的电动势。 

根据另一有利实施例，定子被缠绕为三相。 

当本发明所述装置被用于利用水下水流发电时，其优点是特别有价值的。 

因此，本发明的另一方面包括利用本发明所述装置的用法，其用于通过水下水流产生电能。 

通过以下的本发明有利实施例的详细描述，结合附图作为参照，将对本发明进行进一步解释。 

图1表示的是根据本发明的第一示例性实施例的透视示意图； 

附图说明

图2表示的是根据本发明的第二示例性实施例的透视示意图； 

图3-5表示的是根据本发明水轮机的不同示例的端面示意图； 

图6表示的是根据本发明水轮机的示例性实施例的透视示意图； 

图7表示的是根据本发明另一实施例的细节； 

图8表示的是根据本发明另一示例性实施例的透视示意图； 

图9表示的是根据本发明一个示例性实施例中，沿所采用的定子中一根电缆的横截面。 

具体实施方式

图1示出了根据本发明装置的第一实施例的透视示意图。装置具有发电机1和水轮机2。发电机1具有设置于框架7中的外部定子3，其设置于海底。四个轴向设置的叶片5各自的轴8，固定于内部转子4。在远离转子4的端部，叶片5有四个撑杆6支撑在一起，其中每个都延伸于连个邻近的叶片5之间。水下水流A带动水轮机2转动，从而也带动转子4转动，在定子所缠绕的线圈中产生感应电流。向外伸出的电缆表示这是三相发电机。可选地，叶片当然也可以设置为由转子向下的方向。 

在根据图2的实施例中，转子4径向设置于定子3外部。定子由支架(未示出)所支撑，支架放置于海底。两组叶片5a、5b沿轴向的两个相反方向固定于转子上。第一组中的每个叶片5a都与第二组中的一个叶片5b设置于同一直线上。每对相对的叶片5a、5b彼此相连。 

在图3-5中，以端视图表示出了叶片在远离转子的一端彼此支撑在一起的不同实施例。根据图3的实施例，水轮机具有五个叶片5，其撑杆的设置大体上与图1中所示的相对应。 

在图4中，其中的水轮机具有3个叶片5，撑杆6径向设置，并在中心彼此相连。 

在图5中，水轮机具有六个叶片5，撑杆6和图4中一样径向设置，但是这里他们连接到一个设在中心的环形支撑件9。 

可选地，撑杆6当然可以设置于向内距离叶片端部一段距离的位置。而且，可以设置多个轴向分布的撑杆。图6中示出了这样的一个实施例。 

图7表示的是通过接合装置10，具有轴8的叶片5固定到转子4上的接合。 

图8表示的是一个可选实施例，其具有设在水轮机2上的外部转子4，外部转子4上设有三个叶片5，以及内部定子3。在此，定子被设置为可转动，并与具有三个叶片25的水轮机22相连接。定子水轮机的叶片25以如此角度设置，即定子会沿与转子转动方向C相反的转动方向B转动。 

在图9中，表示的是发电机的定子缠绕的一较佳实施例。定子由高压电缆缠绕，此图是通过这样一根电缆的截面图。电缆具有芯，其包括一根或多根铜导线31。芯被内侧半导体层32所包围。在此之外，设有一层绝缘固体33，例如PEX绝缘体。在绝缘体周围，设有半导体层34。每个半导体层都形成等效的面。 

上述图为示意图，用于帮助理解本发明，为强调本发明重要的特殊方面，省略了非重要细节。 

通常地，根据本发明的装置具有对应于直径2-10米的水轮机的尺寸。然而，在地方性的、局部的只针对一个或者几个用户的电力供给中，也可以考虑直径为0.5-2米的较小转子尺寸。在特定的应用中，例如在墨西哥暖流的远海区域，可以考虑直径达到100米的非常大尺寸的转子。 

Claims (16)

1.一种具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，所述转子发电机(1)的转子(4)连接到所述第一水轮机(2)，所述第一水轮机(2)具有至少三个轴向设置的叶片(5)，其特征在于，所述叶片(5)从所述转子(4)的至少一个轴向端面轴向延伸并且每个叶片(5)单独地直接连接到所述发电机(1)的所述转子(4)的轴向端面。

2.根据权利要求1所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述第一水轮机(2)具有第一组叶片(5a)，其沿所述转子(4)朝向第一方向设置，以及第二组叶片(5b)，其沿所述转子(4)朝向相反方向设置，每组具有至少3个叶片(5a、5b)。

3.根据权利要求2所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述第一组的每个叶片(5a)与所述第二组的叶片(5b)对准。

4.根据权利要求3所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，对准设置的所述叶片(5a、5b)直接以机械方式彼此连接。

5.根据权利要求1所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，每个叶片(5)通过支撑装置支撑。

6.根据权利要求5所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述支撑装置包括将叶片(5)彼此连接的件(6)。

7.根据权利要求6所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述支撑装置包括件(6)，其由相应叶片(5)径向向内设置，所述件径向最内侧的一端彼此相连。

8.根据权利要求6所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述支撑装置包括在靠近圆周方向的每个叶片之间延伸的件。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，每个所述叶片(5)通过接合装置(10)连接于所述转子。

10.根据权利要求1所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述转子(4)包括永久磁铁。

11.根据权利要求1所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述发电机(1)的定子(3)被封装于防水外壳内。

12.根据权利要求11所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述转子径向设置于所述定子的外侧，并与所述定子位于同一轴平面内。

13.根据权利要求11所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述定子由高压电缆缠绕，其具有导电材料的芯(31)，包围所述导电材料的半导体材料构成的第一层(32)，包围所述第一层(32)的绝缘材料层(33)，以及包围所述绝缘材料层的半导体材料构成的第二层(34)。

14.根据权利要求11所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述发电机的所述定子(3)是可转动的，而且连接于第二水轮机(22)，所述第二水轮机(22)设为使所述定子(3)沿与所述转子(4)相反的转动方向转动而设置。

15.根据权利要求11所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置，其特征在于，所述定子(3)被缠绕为三相。

16.根据权利要求1所述的具有第一水轮机(2)和转子发电机(1)的装置的用法，用于利用水下水流产生电流。

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