一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法，其懸吊式高效勵磁平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機包括發(fā)電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構和轉軸機構，斜擊葉輪機構包括斜擊葉片、環(huán)形旋轉內罩和環(huán)形固定外罩，斜擊葉片環(huán)形分布在環(huán)形旋轉內罩內側，環(huán)形旋轉內罩與環(huán)形固定外罩通過密封軸承連接構成封閉的環(huán)形空腔，發(fā)電機構與勵磁機構同軸內外并列安裝在環(huán)形空腔內，環(huán)形固定外罩固定安裝在懸吊臂上；本發(fā)明所述懸吊式高效勵磁平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機壽命長，建設成本與生產管理成本較低，通用性較好，動能轉化效率高。
【專利說明】
一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及水電設備領域，尤其涉及一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機及其做功方法?！颈尘凹夹g】
[0002]水輪發(fā)電裝置按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水輪機的轉輪受到水流的沖擊而旋轉，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉換;反擊式水輪機的轉輪在水中受到水流的反作用力而旋轉，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉換。
[0003]沖擊式水輪機，由于其工作輪僅部分過水，部分水斗受力，故該類水輪機所需流量較小，比較適合小流量高水頭的發(fā)電場所。沖擊式水輪機，按水流的流向可分為切擊式(又稱水斗式)和斜擊式兩類，在等徑水輪條件下，切擊式的受力力臂相對斜擊式較大，但運行水輪轉速相對較小。
[0004]斜擊式水輪機，由于其葉片受力相對切擊式水輪機的葉片受力較小，對葉片的材質和制造工藝要求較低，且運行穩(wěn)定、噪音小，總體性價比較高，深受國內外小型電站企業(yè)的喜好。
[0005]然而，現(xiàn)有的斜擊式水輪機所存在的問題是:1)水輪機的葉輪與發(fā)電機和勵磁電機需通過較長的傳動軸傳動，而一般情況下，為了便于傳動軸的安裝更換，傳動軸連接處會采用法蘭連接，同時為了維持傳動軸穩(wěn)定轉動，避免偏心轉動，會在轉軸的連接處以及中部設置多個軸承，軸承的增多會加大轉動過程中的摩擦耗能，軸承容易因摩擦升溫燒壞，且較長傳動軸出現(xiàn)偏心轉動時，容易導致對發(fā)電機造成損壞;2)現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置的發(fā)電機和勵磁機在工作中會產生大量的廢熱(主要由導線中強電流產熱、及軸承轉動摩擦產熱)，需要安裝專用的散熱、冷卻系統(tǒng)，當散熱、冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，容易導致機芯、軸承燒壞，而且即使在冷卻系統(tǒng)正常工作下，由于定子和轉子呈內、外層分布，位于內層的轉子產生的廢熱需通過定子與轉子的隔空間隙層傳導到外界，隔空間隙層的導熱速率小，內層轉子與外層定子存在較大的溫差，內層轉子容易燒毀;3)現(xiàn)有斜擊式水輪機，由于在水流動能利用上存在較大的水流動能余留，水流動能的利用率相對較低，現(xiàn)階段，斜擊式水輪機中做的較為理想的效率僅在80%至84%;4)現(xiàn)有的每組水輪發(fā)電機均是針對不同地形的定制機，造成原材料、組件、線材和零部件不能夠通用，不能夠批量生產；5)由于水輪發(fā)電機中的定子、轉子、凸極、傳動軸等部件需要承受較高的溫度或較大的受力，其定子、轉子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高;6)勵磁繞組的磁極僅能利用其中一磁極，勵磁效率較低，勵磁能耗較大。
[0006]上述因素給電站的建設造成了較大的投入成本與生產管理成本，且電站生產產能相對較低，部分小型可利用水能資源被浪費。
[0007]此外，現(xiàn)有的斜擊式水輪機的做功方式均是:將噴嘴垂直于水輪葉片的徑向方式， 噴嘴的高速水流與折形葉片的進口平面存在一定傾斜角，高速水流沿進口平面進入，并流經葉片的折形面，將其動能傳遞到葉片上，最后水流從出水面流出；該種做功方式，其流出的水流余能較大，水流動能轉化效率偏低;且其動能的傳動過程中動能損耗較大，發(fā)電效率偏低。
【發(fā)明內容】

[0008]本發(fā)明所要解決的技術問題為:1)現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置中傳動軸和軸承由于受力較大、摩擦產溫較高，其損耗較大;2)現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置的發(fā)電機和勵磁機在工作中會產生大量的廢熱，需要安裝專用的冷卻系統(tǒng)，且其冷卻系統(tǒng)的冷卻效果欠佳，容易燒毀機芯;3)現(xiàn)有斜擊式水輪機的效率僅在80%至84%，普遍偏低;4)現(xiàn)有的水輪發(fā)電機均是針對不同地形的定制機，體積存在較大差異，不能夠批量生產；5)水輪發(fā)電機中的定子、轉子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高;6)勵磁磁場利用效率低。
[0009]為解決其技術問題本發(fā)明所采用的技術方案為:一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構、勵磁機構、斜擊葉輪機構、懸吊臂和噴嘴；其特征在于:斜擊葉輪機構包括斜擊葉片、環(huán)形旋轉內罩和環(huán)形固定外罩，斜擊葉片扇形分布在環(huán)形旋轉內罩內側，環(huán)形旋轉內罩與環(huán)形固定外罩通過密封軸承連接構成封閉的環(huán)形空腔，勵磁機構與發(fā)電機構同軸內外并列安裝在環(huán)形空腔內，環(huán)形固定外罩固定安裝在多個懸吊臂上，噴嘴安裝在斜擊葉片上方；所述發(fā)電機構包括發(fā)電勵磁繞組、第一發(fā)電電樞繞組和第二發(fā)電電樞繞組，勵磁機構包括勵磁機勵磁繞組、第一勵磁機電樞繞組和第二勵磁機電樞繞組；第一發(fā)電電樞繞組、發(fā)電勵磁繞組和第二發(fā)電電樞繞組同軸上、中、下層分布；發(fā)電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組同軸安裝在環(huán)形旋轉內罩的中部，發(fā)電勵磁繞組位于勵磁機勵磁繞組的外側；第一勵磁機電樞繞組和第一發(fā)電電樞繞組同軸內、外側安裝在環(huán)形固定外罩內的上側面；第二勵磁機電樞繞組和第二發(fā)電電樞繞組同軸內、外側安裝在環(huán)形固定外罩內的下側面。
[0010]環(huán)形旋轉內罩與環(huán)形固定外罩的連接間隙處設置有導電刷，導電刷用于導電連接電樞輸出電流與勵磁輸入電流。[〇〇11]作為進一步優(yōu)化，為了減小密封軸承的摩擦損耗，所述密封軸承的內側還設置有支撐軸承。
[0012]作為進一步優(yōu)化，為了具有更好的防水性能，所述環(huán)形旋轉內罩與環(huán)形固定外罩邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)，折形離心甩水邊環(huán)的間隙口沿徑向朝外。
[0013]作為進一步優(yōu)化，為了更好的增強折形離心甩水邊環(huán)的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)內還安裝有樹脂耐磨環(huán)。
[0014]作為進一步說明，所述斜擊葉輪機構水平安裝，斜擊葉片水平分布，噴嘴安裝在斜擊葉片上方，噴嘴噴水方向朝向斜擊葉片，噴嘴與斜擊葉片分布面存在一定傾角，其傾角在 20°至30°，噴嘴與斜擊葉片的徑向方向的夾角呈45°至55°。
[0015]基于上述所述實施方案，其懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機的做功方法為:所述懸吊式高效勵磁平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機的斜擊葉片水平分布，噴嘴安裝在斜擊葉片上方，噴嘴噴水方向朝向斜擊葉片，噴嘴與斜擊葉片分布面存在一定傾角，其傾角在 20°至30°，噴嘴與斜擊葉片的徑向方向的夾角呈45°至55° ;采用該種做功方式，其噴嘴噴出的水流從斜擊葉片的徑向外側逐步向徑向內側流動，并持續(xù)對葉片施力，直至在斜擊葉片的徑向內側下方流出，流出的水流余能可接近8%至14%，其動能轉化效率可達86%至92%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉化效率提高6%至12%左右。
[〇〇16]工作原理:該發(fā)明所述懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，工作時，噴嘴向斜擊葉片噴射水流，驅動斜擊葉片和環(huán)形旋轉內罩轉動，并直接帶動發(fā)電勵磁繞組和勵磁機勵磁繞組轉動，勵磁機勵磁繞組在轉動時，切割第一勵磁機電樞繞組與第二勵磁機電樞繞組的線圈，產生交流電，輸出到外界的整流設備，外界的整流設備經過整流后，通過導電刷導電到發(fā)電勵磁繞組，使發(fā)電勵磁繞組產生磁場，在發(fā)電勵磁繞組在轉動時切割第一發(fā)電電樞繞組與第二發(fā)電電樞繞組的線圈，使發(fā)電電樞繞組輸出電流。
[0017] 該懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，由于發(fā)電機構和勵磁機構安裝在環(huán)形旋轉內罩與環(huán)形固定外罩內，發(fā)電工作過程產生的廢熱可直接通斜擊葉片散熱到水流中， 有效的省去了專門的冷確散熱系統(tǒng)，同時也省去了傳動軸部件，大大簡化了水輪發(fā)電裝置的結構和材料。
[0018] 有益效果:本發(fā)明所述的懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，相對于現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置，其發(fā)電機構和勵磁機構直接安裝在斜擊葉輪機構內，實現(xiàn)了水輪機構與發(fā)電機構、勵磁機構的一體化，動力傳動無需通過傳動軸傳動，能有效的避免傳動軸偏心問題； 相對于傳統(tǒng)的轉子結構模式，其熱量傳導無需通過轉子與定子間的隔空層，其發(fā)電機構廢熱可直接通過斜擊葉片散熱到水流中，能有效避免燒毀機芯的問題，增長設備的使用壽命。
[0019] 另外，本發(fā)明所述的懸吊式高效平裝斜擊式水輪發(fā)電機大大簡化了水輪發(fā)電裝置的結構和材料，設備被一體化，較大程度地縮小了設備體積;本設備在電站建設的諸多狀況下均可整體使用，較大地增強了設備的通用性，減少了電站建設成本與生產管理成本。
[0020] 此外，由于發(fā)電機勵磁繞組的兩個磁極的磁通量均被利用于切割發(fā)電機電樞繞組，在同等勵磁電流下，勵磁效率相對傳統(tǒng)勵磁方式提高一倍。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明方案一的俯視結構示意圖；
圖2為本發(fā)明方案一的勵磁繞組所在平面的水平剖視結構示意圖；
圖3為本發(fā)明方案一的電樞繞組所在平面的水平剖視結構示意圖；
圖4為本發(fā)明方案一的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖5為本發(fā)明方案二的垂直橫向剖視結構示意圖；
圖6為本發(fā)明方案二中折形離心甩水邊環(huán)結構放大示意圖；
圖7為本發(fā)明方案三中折形離心甩水邊環(huán)結構放大示意圖；
圖中:1為發(fā)電機構、11為發(fā)電勵磁繞組、12為發(fā)電電樞繞組、13為第二發(fā)電電樞繞組、2 為勵磁機構、21為勵磁機勵磁繞組、22為第一勵磁機電樞繞組、23為第二勵磁機電樞繞組、3 為斜擊葉輪機構、31為斜擊葉片、32為環(huán)形旋轉內罩、33為環(huán)形固定外罩、34為密封軸承、35 為環(huán)形空腔、36為支撐軸承、37為折形離心甩水邊環(huán)、38為樹脂耐磨環(huán)、4為懸吊臂、5為導電刷、6為噴嘴。
【具體實施方式】
[0022] 下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述;顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0023] 方案一(如圖1至圖4所示):一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構1、勵磁機構2、斜擊葉輪機構3和懸吊臂4;斜擊葉輪機構3包括斜擊葉片31、環(huán)形旋轉內罩32和環(huán)形固定外罩33,斜擊葉片31扇形分布在環(huán)形旋轉內罩32內側，環(huán)形旋轉內罩32 與環(huán)形固定外罩33通過密封軸承34連接構成封閉的環(huán)形空腔35,勵磁機構2與發(fā)電機構1同軸內外并列安裝在環(huán)形空腔35內，懸吊臂4與環(huán)形固定外罩33同軸線固定連接;所述發(fā)電機構1包括發(fā)電勵磁繞組11、第一發(fā)電電樞繞組12和第二發(fā)電電樞繞組13,勵磁機構2包括勵磁機勵磁繞組21、第一勵磁機電樞繞組22和第二勵磁機電樞繞組23;第一發(fā)電電樞繞組12、 發(fā)電勵磁繞組11和第二發(fā)電電樞繞組13同軸上、中、下層分布;發(fā)電勵磁繞組11和勵磁機勵磁繞組21同軸安裝在環(huán)形旋轉內罩32的中部，發(fā)電勵磁繞組11位于勵磁機勵磁繞組21的外偵I第一勵磁機電樞繞組22和第一發(fā)電電樞繞組12同軸內、外側安裝在環(huán)形固定外罩33內的上側面，第二勵磁機電樞繞組23和第二發(fā)電電樞繞組13同軸內、外側安裝在環(huán)形固定外罩33內的下側面;環(huán)形旋轉內罩32與環(huán)形固定外罩33的連接間隙處設置有導電刷5,導電刷 5用于導電連接勵磁供電和感生電流輸出端;為了減小密封軸承34的摩擦損耗，所述密封軸承34的內側還設置有支撐軸承36。
[0024] 上述實施方案中懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機的做功方式為:噴嘴6與斜擊葉片31分布面的傾角為20°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈45°。
[〇〇25]通過上述方案一實施方式，所述懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉化效率可達86%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉化效率提高6%左右。
[0026]方案二(如圖5和圖6所示):與方案一不同之處在于:為了具有更好的防水性能，所述環(huán)形旋轉內罩32與環(huán)形固定外罩33連接邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)37， 折形離心甩水邊環(huán)37的間隙口沿徑向朝外。
[〇〇27]方案三(如圖7所示):與方案一不同之處在于:為了更好的增強折形離心甩水邊環(huán) 37的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)37內還安裝有樹脂耐磨環(huán)38。
[0028]方案四:與方案一不同之處在于:所述噴嘴6與斜擊葉片31分布面的傾角為25°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈50° ;采用該種結構方式，其穩(wěn)定動能轉化效率可達 92%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉化效率提高12%左右。
[〇〇29]方案五:與方案一不同之處在于:所述噴嘴6與斜擊葉片31分布面的傾角為30°，噴嘴6與斜擊葉片31的徑向方向的夾角呈55°;采用該種結構方式，其穩(wěn)定動能轉化效率可達 89%，相比傳統(tǒng)斜擊式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定動能轉化效率提高9%左右。
[0030]最后應說明的是:以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換， 凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，包括發(fā)電機構(1)、勵磁機構(2)、斜擊 葉輪機構(3)、懸吊臂(4)和噴嘴(6)，其特征在于:斜擊葉輪機構(3)包括斜擊葉片(31)、環(huán) 形旋轉內罩(32)和環(huán)形固定外罩(33)，斜擊葉片(31)扇形分布在環(huán)形旋轉內罩(32)內側， 環(huán)形旋轉內罩(32)與環(huán)形固定外罩(33)通過密封軸承(34)連接構成封閉的環(huán)形空腔(35)， 勵磁機構(2)與發(fā)電機構(1)同軸內外并列安裝在環(huán)形空腔(35)內，環(huán)形固定外罩(33)上部 固定懸吊在多個懸吊臂(4)上，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)上方，發(fā)電機構(1)包括發(fā)電勵 磁繞組(11)、第一發(fā)電電樞繞組(12)和第二發(fā)電電樞繞組(13)，勵磁機構(2)包括勵磁機勵 磁繞組(21)、第一勵磁機電樞繞組(22)和第二勵磁機電樞繞組(23)，第一發(fā)電電樞繞組(12)、發(fā)電勵磁繞組(11)和第二發(fā)電電樞繞組(13)同軸上、中、下層分布，發(fā)電勵磁繞組 (11)和勵磁機勵磁繞組(21)同軸安裝在環(huán)形旋轉內罩(32)的中部，發(fā)電勵磁繞組(11)位于 勵磁機勵磁繞組(21)的外側，第一勵磁機電樞繞組(22)和第一發(fā)電電樞繞組(12)同軸內、 外側安裝在環(huán)形固定外罩(33)內的上側面，第二勵磁機電樞繞組(23)和第二發(fā)電電樞繞組(13)同軸內、外側安裝在環(huán)形固定外罩(33)內的下側面。2.根據(jù)權利要求1所述的懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán) 形旋轉內罩(32)與環(huán)形固定外罩(33)的連接間隙處設置有導電刷(5)，導電刷(5)用于勵磁 電流的輸入和感生電流的輸出。3.根據(jù)權利要求1所述的懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述密 封軸承(34)的內側還設置有支撐軸承(36)。4.根據(jù)權利要求1所述的懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述環(huán) 形旋轉內罩(32)與環(huán)形固定外罩(33)邊角處設置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)(37)，折 形離心甩水邊環(huán)(37)的間隙口沿徑向朝外。5.根據(jù)權利要求4所述的懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于:所述折 形離心甩水邊環(huán)(37)內還安裝有樹脂耐磨環(huán)(38)。6.根據(jù)權利要求1或2或3所述的懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機，其特征在于: 所述斜擊葉輪機構(3)水平安裝，斜擊葉片(31)水平分布，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片(31)上 方，噴嘴(6)噴水方向朝向斜擊葉片(31)，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)分布面存在一定傾角，其 傾角在20°至30°，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)的徑向方向的夾角呈45°至55°。7.—種懸吊式高效平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機的做功方法，其特征在于:所述懸吊式 高效勵磁平裝中通斜擊式水輪發(fā)電機的斜擊葉片(31)水平分布，噴嘴(6)安裝在斜擊葉片 (31)上方，噴嘴(6)噴水方向朝向斜擊葉片(31)，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)分布面存在一定 傾角，其傾角在20°至30°，噴嘴(6)與斜擊葉片(31)的徑向方向的夾角呈45°至55°。
【文檔編號】F03B1/00GK106014821SQ201610469000
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月25日
【發(fā)明人】郭遠軍
【申請人】郭遠軍