CN216922331U - 一种新型转轮发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种新型转轮发电装置，其中转轮是叶片式转轮，叶片为60度弧度的圆形设计，结构符合流体力学，受水流面积大，做功多且形成的涡流相对小，阻力消耗小，加工制造难度小。发电装置包括转轮、变速箱、发电机组及永磁悬浮轴承，转轮由叶片与转轮轴组成，轮轴上均匀固定多个叶片，转轮通过变速箱连接发电机组，转轮轴与电机组外壳间设置永磁悬浮轴承。本发电装置设计简单、适用性广、稳定性好，充分利用水电站尾水资源，用于水面钻井平台自发电，自然江河无坝水力发电等大中小型发电站的尾水发电，可以使原水位水往高处流，极具开发应用价值。

Description

一种新型转轮发电装置

技术领域

本实用新型涉及发电技术领域。具体涉及一种新型转轮发电装置。

背景技术

中国作为全球最大的二氧化碳排放国，中国的减排目标，承诺二氧化碳排放量将在2030年左右达到峰值，有推算认为最高将达到150亿吨。中国碳交易市场发展现状分析在我国碳排放总量中，发电行业的碳排放量占有相当大的比重。

中国发电行业经过不断发展，已经成为世界上名副其实的电力生产和消费大国。2020年，可再生能源发电量2.2万亿千瓦时，占全社会用电量的比重29.5％，较2012年增长9.5个百分点。全国全口径非化石能源发电量2.58万亿千瓦时，同比增长7.9％，占全国全口径发电量的比重为33.9％,同比提高1.2个百分点，非化石能源电力供应能力持续增强。其中，作为非化石能源中的主要比重的水电由2011年的6989.4亿千瓦时增长到2020年的13552.1亿千瓦时，中国水力发电量占总发电量的17.4％,可见减少碳排放的主要目标是要提高水电普及率、提高飞机、轮船、火车、汽车及非化石能源的利用率。

水力发电将水能转变为机械能，如果在转轮机上接上另一种机械(变速器)增加转轮机转速便可带动发电机，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能，再转变成电能的过程。

虽然目前水能利用率不断提高，但是由于水力发电本身会产生大量的尾水，如果大量的尾水直接排入江河会产生资源的浪费，将尾水充分利用起来便是尾水发电，主要通过水电站尾水抬升办法使下游到江河之间落差大幅度提高，将水能再转为机械能，利用新型发电机组再转为电力，本发明还可以在原有各种大小形水库、湖泊内建造电站。充分利用原有水域资源，大大提高水能源利用率。

发明内容

为提高尾水发电的效率，充分利用水资源，满足清洁能源领域存在的不足的现状的需求，本实用新型提供一种新型转轮发电装置，其中转轮釆用简单的叶片式转轮以及永磁悬浮轴承，其设计结构符合流体力学结构，结合其设计的发电装置满足设计简单、适用性广的要求，还可以充分利用江河湖海及水电站尾水资源。

为了实现上述目的，本实用新型釆用的技术方案如下：

本实用新型提供了一种发电装置，包括新型转轮、变速箱、发电机组、永磁悬浮轴承，其中，所述新型转轮由叶片、转轮轴组成；所述叶片是由两个对称的直线和两个对称的弧形端构成的圆形叶片，所述叶片的弧形端为60度角弧度的曲边，所述叶片直线端长度小于所述转轮轴的长度；所述叶片的一直线端固定于转轮轴上，所述转轮轴上沿轴向固定多个叶片，多个叶片围绕所述转轮轴均匀分布；所述转轮通过变速箱连接发电机组，所述转轮轴与所述发电机组的外壳间设置了所述永磁悬浮轴承。

进一步的，所述叶片与所述转轮轴一体形成，直接制造成一个整体；所述叶片也可以通过焊接、卡扣、螺栓等方式固定于转轮轴上。

进一步的，所述永磁悬浮轴承包括由永磁体制成的内圈和外圈，所述内圈内侧连接所述转轮轴，所述外圈连接变速箱机外壳内环内侧；所述内圈外侧的中间位置、对应的外圈内侧的中间位置及外圈内侧的两端分别设有轴环型永磁体，所述永磁体的极性相同，且外圈内侧设置的轴环型永磁体的径向直径大于内圈外侧设置的轴环型永磁体的径向直径；且所述轴环型永磁体均为圆形闭环。

进一步的，所述叶片长度小于所述转轮轴的长度，所述转轮直径以及叶片数量可以根据具体水电站尾水的水头H(m)、流量Q(m³/s)以及需要的发电功率来确定，且所述1/2的转轮直径小于渠道的深度。

进一步的，所述叶片通过焊接方式固定于转轮轴上，所述转轮轴长度为2.0m；所述叶片轴向长度为1.94m,所述转轮直径2.6m,所述叶片为3组。

进一步的，所述发电装置通过二个安放墩架设于过水渠道两侧，所述渠道两侧设计一定高度的渠墙，渠墙可以根据尾水量设计，设计的渠墙的深度以及渠道的宽度要保证架设的下方的叶片有一半没于水流中；所述过水渠道用于发电引流，过水渠道长度可根据具体水站的地势而定，所述过水渠道的渠口设计为喇叭状，进口大，出口小，向下倾斜度45度，连接向上30度螺旋管道；在所述渠道上可以架设包含多个所述转轮的发电装置。

螺旋管由钢管焊接成，流量与喇叭出水口同，根据风洞、弹道原理，用与人为造成冲击波，用螺旋方法抬高水位。

进一步的，所述转轮轴由软磁材料构成。

优选的，所述转轮轴釆用能承受高应力并同时具有优良的软磁特性的非晶态合金；所述转轮轴的直径配合所述永磁悬浮轴承的内径大小设定，所述转轮轴直径0.1-0.2m；所述转轮轴的圆周速度大约可达而350m/s；所述永磁悬浮轴承单位面积上的承载力大约为

进一步的，所述的发电装置可应用于飞机或高铁等高速运行的交通工具上，所述转轮与所述永磁悬浮轴承的组合可安装在飞机机翼或机身下部或高铁等高速运行的车辆上方和船舶内或外部。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，提供了一种新型转轮发电装置，转轮釆用简单的叶片式转轮以及永磁悬浮轴承，转轮上固定多组叶片，优选三组叶片，叶片为60度弧度的圆形设计，结构符合流体力学，受水(汽)面积大，做功多且形成的涡流相对小，阻力消耗小，加工制造难度小。发电装置包括转轮、二个变速箱、二台发电机、以及二组永磁悬浮轴承，转轮由叶片与转轮轴组成连接，所述叶片通过固定安装于转轮轴上，转轮轴通过变速箱连接发电机组,所述电机组的电机轴与所述转轮轴通过变速箱固定连接，所述转轮轴与所述电机组的外壳间设置了所述永磁悬浮轴承，永磁悬浮轴承可以有效的降低机械阻力、增大发电的稳定性、耐久性。

所述喇叭口、螺旋管道及过水渠道用于发电引流，过水渠道长度可根据具体水站的地势而定，所述过水渠道的渠口设计为喇叭状，进口大，出口小，向下倾斜度45度，连接向上30度螺旋管道；建设喇叭口进水渠道并根据需要安装螺旋进水管道，使水流进入渠道、水轮发电装置，可有效的将水流引向高处，继而使得水(汽)流动能转化为机械能，进而有效的带动发电机转化为电能，所有发电机整合到水电站，输送至电网中。

本发电装置设计简单、适用性广，还可以做到哪里缺电就近快速建电站，并充分利用水电站尾水资源，可用于所有筑坝水电站、自然江河无坝水力发电等大中小型发电站的尾水和库水发电，极具开发应用价值。提高清洁能源占比，减少国家对其它任何形式电站投资及大电网投资，大幅降低二氧化碳排放。本发明的河水往高处流方法可使沙漠变绿洲，使高地变良田，增加有效耕地面积，并可在煤电厂附近建厂快速取代煤电。改变世界能源格局、减少碳排放。

附图说明

图1.本实用新型提供的一种尾水发电装置的结构示图。

图2.本实用新型提供的一种新型转轮的截面结构示图。

图3.本实用新型提供的一种尾水发电装置中永磁悬浮轴承与装置的结合的截面示图。

图4.本实用新型提供的一种尾水发电装置的架设示意图图。

图5.本实用新型提供的所述发电装置的过水渠道引流的一种示意图。

图6.釆用本实用新型提供的一种尾水发电装置的尾水发电截面示图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的解释和说明。

本发明在设计时考虑到，基于水量较小的水力发电的出力计算公式并不适用大型水库的P＝9.81QH(kw)公式的计算，考虑到采用用于小型水库的E＝(6.0～8.0)QH(kw)的公式时，发现小型水库效率之所以低于大型水库的原因，是由于小型水库使用的转轮机普遍小于大型水库的转轮机，所以单位水流流经转轮机的距离也就更短，亦即做功的时间更短，所以效率也就更低了。而且现代卫星科学技术证明：在离地面200km处，重力加速度g值接近为零，离地面36000km处g值绝对为零。将

取代g＝9.81,那就意味着将小型水库假设到离地面

的高空，这显然是有违科学原理的。所以用公式

QH(kw)来作小型水库发电的出力计算是不可以的。在对现有水库转轮发电机组实际效率检验时发现，功率的大小实质是流量Q水头H的大小与出水口速度与地球引力转换成电功率的结果。也就是说计算水力发电功率的大小用。知晓水头H(m)、流量Q(m3/s)、出水口流速G及引力,即可以计算出功率W(kw)_o

基于此，本实用性新提供一种新型转轮发电装置。

如图1所示，是本实用新型提供一种发电装置，图中包括由叶片1和转轮轴2组成转轮、发电机组4、变速箱3、永磁悬浮轴承7,所述叶片1固定于转轮轴2上，所述叶片1是由两个对称的直线和两个对称的弧形端构成的圆形叶片圆形叶片，其一直线端固定于转轮轴2上，所述转轮轴2上沿轴向固定3个叶片1，3个叶片围绕所述转轮轴均匀分布；所述叶片1的弧形端为带有60度角的弧度的曲边，所述叶片1轴向直边长度小于所述转轮轴2的长度；叶片1的设计结构符合流体力学，受水面积大，做功多且形成的涡流相对小，阻力消耗小，加工制造难度小。所述转轮通过变速箱3连接发电机组4,所述电机组4的电机轴与所述转轮轴固定连接，所述转轮轴2与所述电机组4的外壳间设置了所述永磁悬浮轴承7。尾水通过设计的渠道5流经转轮，推动所述叶片1转动，进而带动所述转轮轴2,所述发电机组4通过所述变速箱3由所述转轮轴带动发电；当水流推动叶片1使得所述转轮2旋转时，能通过所述转轮轴2和所述变速箱3带动所述发电机组4旋转发电。渠道5两侧设计一定高度的渠墙6,渠墙6可以根据尾水量设计，设计的渠墙6的深度h以及渠道的宽度要保证架设的叶片中下方的叶片至少有一半没与中水流；在渠道上可以架设包含多个转轮的发电装置；所述发电装置通过安放墩架设于过水渠道两侧。

进一步的，转轮轴2上固定的叶片1可以是3个或者多个，具体根据水站尾水的流量和水位以及所需电量进行设计。

进一步的，所述叶片1与所述转轮轴2一体形成，直接铸造成一个整体。或者，所述叶片1可以通过焊接、卡扣、螺栓等方式固定于转轮轴2上。

进一步的，所述叶片1都被设计为60度角的弧度的圆形叶片，凹面迎水，60度弧形受力最大，岀水阻力最小；叶片1的材质可以选择质轻且耐久性好的钢材、铝材以及其他合金材料；为了配合上述包含轴环型永磁体的永磁悬浮轴承使用，本实用新型所述转轮轴2由软磁材料构成。

进一步的，如图1所示，所述叶片1长度d小于所述转轮轴承2的长度，所述转轮直径D以及叶片数量可以根据具体水站尾水的水头H(m)、流量Q(m³/s)以及需要的电功率来确定，且所述1/2的转轮直径小于渠道的深度h。

如图2所示，本实用新型提供的一种尾水发电装置的新型转轮的截面结构示图。渠道的深度h＝1.5m时设计的一种转轮。其中，共有三个60度的弧度的圆形叶片1,且与所述转轮轴2一体形成，直接铸造成一个整体，所述转轮轴2一体形成，直接一个整体，所述转轮轴2铸造成空心。所述转轮轴2长度2m以内，转轮轴直径

根据配合使用的所述永磁悬浮轴承的内径使用；所述叶片1长度为194cm,所述转轮直径D＝240cm。

本实用新型设计采用了一种结构简单、成本低、稳定性好、刚度大、承载力大的永磁全悬浮轴承。

如图3所示，是本实用新型提供的一种多动能发电装置中的一种永磁悬浮轴承与装置的结合的截面示图。其中，永磁悬浮轴承7位于转轮轴2与发电机外壳之间；永磁悬浮轴承7包括设置有内圈，内圈外部中间位置设置有轴环型永磁体71,对应的外圈内部中间位置设有轴环型永磁体72以及外圈内部两端分别设有轴环型永磁体73,三种永磁体的极性相同，且外圈内部设置的轴环型永磁体72与73的轴向直径大于内圈外部设置有轴环型永磁体71的轴向直径；本实施例内外轴环型永磁体均为圆形闭环。

有研究结果表明两相同轴向均匀磁化的磁环按相同磁化(磁极)，方向排列时(参见杨安全.一种径向永磁轴承的磁力计算及刚度分析[D].中南大学,2004.)，有：

(1)两磁环轴线平行时，在偏心距较小的范围内，它们具有自动对心能力，且径向磁作用力随偏心距的增加基本上呈线性增加偏心距相同而轴向间隙增大时，这种永磁轴承的径向承载能力减弱。

(2)两磁环轴线相交时，在交角较小的范围内，动磁环在径向上总受回复力，但其受到的磁力矩却随着两轴线交点的移动而岀现正负值。在磁力矩为正值时，它们仍具有对心能力而磁力矩为负值时，动磁环将加速旋转。

(3)刚度特性分析表明动磁环在轴向上是不稳定的，在径向上是自稳定的，在绕轴或轴旋转的方向上，其稳定性与两轴线交点到动磁环底面的距离有关径向位移和绕轴或轴的角位移变化会引起轴向吸引力的变化。

因此，需要实现转子轴向位置的精确控制，需保证轴向位移，还必须保证径向位移，使其径向位移和角位移对轴向吸引力有控制作用。

在本实施例中，虽然内圈轴环型永磁体71和外圈轴环型永磁体72极性相同，互相排斥，但最多只能排斥到两者相距山的程度，此时能态最低，因而径向是稳定的，但轴向可移动，于是在外圈轴环形永磁体12的左右分别相距d2的位置上，还设有极性相同的轴环型永磁体73,计算好山和th的距离及磁体磁力的大小，就能使有轴向移动倾向的，轴环型永磁体71达到稳定。

在本实施例中，内外磁路是圆环形，中间的轴环型永磁体71与匹配的轴环型永磁体72互为互斥力，径向稳定；两边分别设置的两个匹配的轴环型永磁体73与中间的轴环型永磁体71形成两个斥力磁路，达到轴向稳定，实现全磁悬浮。

为了配合上述包含轴环型永磁体的永磁悬浮轴承使用，本实用新型所述转轮轴2由软磁材料构成，利用转轮轴2的软磁性和轴环型永磁体的磁性之间产生的吸引力工作，允许转子高速旋转，其转速只受材料强度的限制。

由于磁轴承单位面积上的承载力取决于铁磁材料和轴承磁铁的设计，参考面积是轴承的横截面积，因而轴承的最大承载能力主要是轴承体积的函数。根据转轮总重具体设计。

在本实施例中，实际上，也可以采用能承受高应力并同时具有优良的软磁特性的非晶态合金作为转轮轴2的材料，优选的软磁特性的非晶态合金为铁基、钴基和铁镣基合金；或者按性能分为高磁导率和高饱和磁感型合金。釆用的转轮轴的圆周速度大约可达而350m/so永磁悬浮轴承单位面积上的承载力大约为20N/cm²～40N/cm²。

进一步的，本实用新型中的转轮的应用，还包括，所述转轮与所述永磁悬浮轴承的组合还可以安装在飞机机身下部或机翼中或高铁等高速运行的车辆上方，由空气动力助推实现转动，从而带动发电机发电，提供电能。使飞机节约大量燃油，使高铁减少外电，使轮船减少大量耗油。

在本实施例中，所述发电装置通过安放墩架设于过水渠道上，所述渠道两侧设计一定高度的渠墙，渠墙可以根据过水量设计，设计的渠墙的深度以及渠道的宽度要保证架设的下方的叶片有一半没于水流中。优选的，如图4所示，所述发电装置通过两个安放墩8(机墩)架设于所述过水渠道5两侧，所述渠道5两侧设计一定高度的渠墙6，渠墙6可以根据过水量及高程设计，设计的渠墙6的深度以及渠道的宽度要保证架设的下方的叶片有一半没于水流中。

如图5所示，为了使河水根据自然力学原理往高处流，利用脉动推力、高程压强、喇叭口增速，造成冲击波来抬升水位值，水流进入螺旋管道后形成湍流，进而不断抬升水位。其中，所述过水渠道8用于发电引流，过水渠道8长度可根据具体水站的地势而定，所述过水渠道的渠口81设计为喇叭状，进口大，出口小，向下倾斜度45度，连接向上30度螺旋管道82。如，将尾水控制在正常尾水位，在水平面下，做一个水平面下二米处下45度的喇叭状渠道口81，进水口与原电站进水口一样大，再连接向上30度的管道抬升水位，所述管道与螺旋管大小一致并连接，不断抬升水位，达到目的。这样设计的优势还在于，在缺水等盐碱沙化地区，保持水位升高，可保持水土的同时增大植被绿化，使得相对高海拔地区的农田不断改良，保墒保水。

在实际应用中，根据渠道长度，高度等因素，可以在所述渠道上可以架设包含多个所述转轮的发电装置。

如图6所示，采用本实用新型提供的一种尾水发电装置的尾水发电截面示图。其中渠道中过水水流，如图中渠道中的箭头方向所示，渠道长度可根据具体水站的地势而定，为了更大程度利用尾水可以设计为螺旋形管道抬升水位。所述过水渠道的渠口设计为喇叭状，进口大，出口小。向下倾斜度45度。水头抬升至10(m)、流量9.961(m³/s)，出水口1m，流速12.68m/s，约产生电功率约1290Kw。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明，对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种新型转轮发电装置，包括新型转轮、变速箱、发电机组、永磁悬浮轴承，其特征在于，所述新型转轮由叶片、转轮轴组成；所述叶片是由两个对称的直线和两个对称的弧形端构成的圆形叶片，所述叶片的弧形端为60度角弧度的曲边，所述叶片直线端长度小于所述转轮轴的长度；所述叶片的一直线端固定于转轮轴上，所述转轮轴上沿轴向固定多个叶片，多个叶片围绕所述转轮轴均匀分布；所述转轮通过变速箱连接发电机组，所述转轮轴与所述发电机组的外壳间设置了所述永磁悬浮轴承。

2.根据权利要求1所述的发电装置，其特征还在于，所述叶片与所述转轮轴一体形成，直接制造成一个整体；所述叶片通过焊接、卡扣、螺栓固定于转轮轴上。

3.根据权利要求1所述的发电装置，其特征还在于，所述永磁悬浮轴承包括由永磁体制成的内圈和外圈，所述内圈内侧连接所述转轮轴，所述外圈连接变速箱机外壳内环内侧；所述内圈外侧的中间位置、对应的外圈内侧的中间位置及外圈内侧的两端分别设有轴环型永磁体，所述永磁体的极性相同，且外圈内侧设置的轴环型永磁体的径向直径大于内圈外侧设置的轴环型永磁体的径向直径；且所述轴环型永磁体均为圆形闭环。

4.根据权利要求1-3任一项所述的发电装置，其特征还在于，所述叶片长度小于所述转轮轴的长度，所述转轮直径以及叶片数量根据具体水电站尾水的水头H(m)、流量Q(m³/s)以及需要的发电功率来确定，且1/2的所述转轮直径小于渠道的深度。

5.根据权利要求1所述的发电装置，其特征还在于，所述叶片通过焊接方式固定于转轮轴上，所述转轮轴长度为2.0m；所述叶片轴向长度为1.94m,所述转轮直径2.6m,所述叶片为3组。

6.根据权利要求1所述的发电装置，其特征还在于，所述发电装置通过安放墩架设于过水渠道上，所述渠道两侧设计一定高度的渠墙，渠墙根据过水量设计，设计的渠墙的深度以及渠道的宽度要保证架设的下方的叶片有一半没于水流中；所述过水渠道用于发电引流，过水渠道长度可根据具体水站的地势而定，所述过水渠道的渠口设计为喇叭状，进口大，出口小，向下倾斜度45度，连接向上30度螺旋管道；在所述渠道上架设包含多个所述转轮的发电装置。

7.根据权利要求6所述的发电装置，其特征还在于，采用所述发电装置通过两个安放墩架设于所述过水渠道两侧，所述渠道两侧设计一定高度的渠墙，渠墙根据过水量及高程设计，设计的渠墙的深度以及渠道的宽度要保证架设的下方的叶片有一半没于水流中。

8.根据权利要求6所述的发电装置，其特征还在于，所述螺旋管道是钢管焊接做成的；螺旋角度是45度以上，直径、长度、圈数可根据抬号水位定，旋向自由。

9.根据权利要求1或8所述的发电装置，其特征还在于，所述转轮轴釆用能承受高应力并同时具有优良的软磁特性的非晶态合金；所述转轮轴的直径配合所述永磁悬浮轴承的内径大小设定，所述转轮轴直径0.1—0.2m；所述转轮轴的圆周速度可达而350m/s；所述永磁悬浮轴承单位面积上的承载力大约为20N/cm²～40N/cm²。

Images