專利名稱：動(dòng)能回收渦輪機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種發(fā)電系統(tǒng)，并涉及一種用于在沒(méi)入水中同時(shí)能量轉(zhuǎn)化并用于從面 下水流提取能量并轉(zhuǎn)化為電力的部件。
背景技術(shù)：
在水下的能量提取和轉(zhuǎn)化是公知的例如美國(guó)專利No. 6，168，373 ；6, 139，255 ；和 W0-02-27151。然而，現(xiàn)有的技術(shù)在經(jīng)濟(jì)性、環(huán)境噪聲和可維持能量提取上并不令人滿意。由此，期望能夠得到這樣的進(jìn)展，其允許經(jīng)濟(jì)、噪聲環(huán)保并可維持的能量提取。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種沒(méi)入水中的渦輪，該渦輪包括流動(dòng)器，具有入口、出 口、內(nèi)表面和外表面；轉(zhuǎn)子組件，適于將來(lái)自水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能，轉(zhuǎn)子組件包括葉輪 (runner)、連接到葉輪的第一端的多個(gè)葉片和包封在葉輪的第二端中的磁體，葉輪的第二 端面向流動(dòng)器的內(nèi)表面；固定定子組件，嵌入在殼體的內(nèi)表面和外表面之間，由此是水絕緣 的，定子包括電路并基本與磁體對(duì)準(zhǔn)；以及能量收集設(shè)備，用于促進(jìn)來(lái)自定子組件的電流到 外部電流接收器的流動(dòng)，能量收集設(shè)備被聯(lián)接到定子。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，渦輪還包括至少一個(gè)腔體，其設(shè)置在流動(dòng)器的外表面 和內(nèi)表面之間，腔體適于被一流體填充，從而將渦輪穩(wěn)定在水表面下方。該流體可以是空 氣，水或任何適用于這樣的應(yīng)用的其它流體，這對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言是容易理解的。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，入口和出口具有文氏管型流動(dòng)限制裝置，用于加速到 轉(zhuǎn)子組件的流動(dòng)。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，殼體具有至少一個(gè)固定到其出口附近的流體分離消除 設(shè)備，設(shè)備適于控制形成在殼體出口處的旋渦。流體分離消除設(shè)備可以是肋，但是也可以是 允許實(shí)現(xiàn)該期望結(jié)果的任何其他特征。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，渦輪還包括平衡軸，其沿著殼體的中央縱向軸線延伸， 該軸通過(guò)多個(gè)固定葉片支架和軸承連接到殼體的內(nèi)表面，固定葉片支架定位為垂直于殼體 的中央縱向軸線。本發(fā)明包括一種新型能量轉(zhuǎn)化器(“EC”)，完全沒(méi)入水面下流動(dòng)水流中。使用輕 質(zhì)材料制成。EC具有高的總效率比。EC能量包括消除了在線發(fā)電機(jī)并替之以周邊電磁耦 合設(shè)備，其為水密并絕緣的，轉(zhuǎn)子被聯(lián)接到來(lái)自EC殼體內(nèi)部的葉輪末端并且在外部圍繞該 葉輪末端。EC電路和繞組被完全水密封。在一個(gè)實(shí)施例中，這是使用將發(fā)電機(jī)電路與水隔 離的不銹鋼合金和密封技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在另一實(shí)施例中EC包括被密封為與水隔離的無(wú)刷 電路和繞組，其都是電絕緣的。EC允許能量從潛流中以大范圍的頻率和電壓被提取。在一 個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明涉及從河流主體潛流(包括零水頭(zero head))中動(dòng)能提取。


結(jié)合附 圖參考說(shuō)明書(shū)之后，本發(fā)明的其它方面和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加容易理解，在 附圖中圖1是本發(fā)明的渦輪的一個(gè)實(shí)施例的橫截面視圖；圖2示出了本發(fā)明的渦輪的一個(gè)實(shí)施例的定子和轉(zhuǎn)子頭上的水密封件；圖3示出了在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中使用的電路；圖4示出了在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中使用的電路。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的應(yīng)用并不限于在隨后描述中列舉或在附圖中示出的部件的構(gòu)造和配 置的細(xì)節(jié)。本發(fā)明能夠具有其它的實(shí)施方式并且可以以多種方式被執(zhí)行或?qū)嵤?。?夕卜，在本文中使用的措辭和術(shù)語(yǔ)僅僅是為了描述性目的而不是限定性的。在本文中“包
括” “由......組成”或“具有” “包含” “含有”以及它們的各種變式意味著擁有在隨后所列
的各項(xiàng)，并且還，可選地，具有其它項(xiàng)目。在隨后的描述中，相同的參考標(biāo)號(hào)指示相似的元件。環(huán)境友好的非侵入性能量轉(zhuǎn)化器(EC)允許將包含在面下運(yùn)動(dòng)水流中的動(dòng)能以可 負(fù)擔(dān)的kWh價(jià)格提取并轉(zhuǎn)化為電力。該思路允許單個(gè)或多個(gè)EC組件獨(dú)立地產(chǎn)生能量到隔離的電網(wǎng)和/或同時(shí)產(chǎn)生能 量到現(xiàn)有的公用電網(wǎng)。主要部件識(shí)別EC由下列部件構(gòu)成(1)流動(dòng)增強(qiáng)器殼體(2)平衡軸軸承(3)輕質(zhì)葉輪(4)自動(dòng)平衡軸承(5)入口防護(hù)裝置(6)固定導(dǎo)葉支架和軸承支承件(7)出口防護(hù)裝置(8)磁體(9)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子(10)固定定子(11)浮子(12)收集器(collector)(13)流體分離消除器詳細(xì)系統(tǒng)操作建立用于動(dòng)能轉(zhuǎn)化的良好環(huán)境本發(fā)明允許單個(gè)或多個(gè)EC組件獨(dú)立地和/或同時(shí)地連到現(xiàn)有公用電網(wǎng)。EC由殼 體1，平衡軸軸承2，輕質(zhì)葉輪3，自動(dòng)平衡軸承4，入口防護(hù)裝置5，固定導(dǎo)葉支架和軸承6， 出口防護(hù)裝置7，旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器8，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子9，定子10，浮子11和收集器12。平衡軸允許平 衡負(fù)載并穩(wěn)定葉輪。
流體從入口防護(hù)裝置5流入機(jī)器并從出口防護(hù)裝置7流出機(jī)器。輕質(zhì)葉輪3直接 聯(lián)接到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子9，其與激勵(lì)器8整裝到一起。流體分離消除器13被嵌入在殼體1中。
EC被放置在面下運(yùn)行水流中。為了最大化穿過(guò)EC殼體的流動(dòng)并增加流動(dòng)速度， EC殼體1被成形為文氏管的形式，其方式是相對(duì)于在其入口 5處的上游壓力在其出口 7處 的下游建立負(fù)壓。該負(fù)壓通過(guò)在入口和出口之間的直徑差異和在入口和出口之間EC的給 定形狀而導(dǎo)致的。在出口邊緣附近的流體流在出口內(nèi)部導(dǎo)致該負(fù)壓并由此抽拉流體并將其 在EC轉(zhuǎn)化器的喉部或中央(在該處定位有輕質(zhì)葉輪)加速，同時(shí)使用流體分離消除器13 消除在出口 7處的流體分離。本發(fā)明合并有雙重空洞護(hù)罩殼體(double empty shell housing)，其允許EC在一 定程度上類似于浮子。其它能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)品使用輕質(zhì)材料以實(shí)現(xiàn)剛性損失和有用平均壽命之間的折衷。其它能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)品比水重，并且需要桅桿或三腳架以將它們定位在操作點(diǎn)處。本 發(fā)明的EC在水中固定深度處漂浮并且緊固有錨定的混凝土或相似的重質(zhì)材料，其依靠摩 擦將EC保持在位。這允許將本發(fā)明容易地從河流中移出以用于維護(hù)或?qū)⑵渲匦露ㄎ坏搅?一地點(diǎn)。在市場(chǎng)上的相似能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)品需要昂貴的桅桿或支柱以實(shí)現(xiàn)相同或復(fù)雜的組合。流體分離消除器13被設(shè)計(jì)并固定在EC殼體上，為其提供機(jī)械穩(wěn)定性和流體和旋 渦控制。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，其具有肋的形狀。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解其它 形狀也可以被使用以獲得相同的期望結(jié)果。為了增強(qiáng)水力效率，并優(yōu)化包含在水流中的動(dòng)能部分并將其傳遞到輕質(zhì)葉輪葉 片，固定預(yù)成型固定導(dǎo)葉和支架6被使用，用于至少下面三個(gè)目的a)彎曲并確定流體的方向以使得流體盡可能平行于葉片前置邊緣(attack edge) 地進(jìn)入輕質(zhì)葉輪；b)提供對(duì)平衡軸軸承的支撐；c)增強(qiáng)EC剛性和抗褶皺、翹曲和變形能 力。水力動(dòng)能到電能的轉(zhuǎn)化EC轉(zhuǎn)化流動(dòng)水動(dòng)能為電能，該電能被傳遞到現(xiàn)有的互聯(lián)和/或隔離的電網(wǎng)。由于水在5進(jìn)入EC并在7處離開(kāi)，其將一部分流動(dòng)動(dòng)能傳遞到輕質(zhì)葉輪葉片。傳 遞的動(dòng)能來(lái)自跨葉輪葉片并在流體中包含的水力。水力整體獨(dú)立地作用在全部有效葉片表 面上并考慮到相對(duì)于EC中心線的空間分布，導(dǎo)致在輕質(zhì)葉輪3中心線處的機(jī)械扭矩。并非直接通過(guò)機(jī)械聯(lián)接或間接通過(guò)增速器或任何其他連接系統(tǒng)傳遞該機(jī)械扭矩 到在線發(fā)電機(jī)，EC轉(zhuǎn)化器將葉輪葉片產(chǎn)生的機(jī)械扭矩從其中央平衡軸2傳遞到其外部環(huán)8 和9，同時(shí)機(jī)械力垂直于EC中心線并與轉(zhuǎn)子8和9的外周成切向。該機(jī)械力在轉(zhuǎn)子的各永 久磁體元件9之間均等地分離并用于產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)9和定子固定電路10之間的相 對(duì)運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子永久磁體9產(chǎn)生并支持固定電磁場(chǎng)(相對(duì)于葉輪固定)，但是與葉輪以相同的 回轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。該旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子永久磁體或旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器8產(chǎn)生，其中永久磁體或旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器8 固定在包封的不銹鋼殼體中并通過(guò)隔離媒介與水完全隔離并且保護(hù)永久磁體和/或旋轉(zhuǎn) 激勵(lì)器不受腐蝕。這些被包封的永久磁體和/或旋轉(zhuǎn)激勵(lì)器8被嵌入在轉(zhuǎn)子主體中并以與 葉輪相同的回轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)。
在該EC思路中，定子被使用不銹鋼殼體相對(duì)于水完全封閉并密封，如圖2所示。盡管EC被完全沒(méi)入水流中，其轉(zhuǎn)子9和定子10被完全封閉并且與水電絕緣。定子電路被連接到岸邊的電柜，通過(guò)水下電纜，該水下電纜承載往來(lái)EC的電能和信號(hào)。EC產(chǎn)生各種頻率的能量并且電壓足以通過(guò)絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)間接地傳 送到電網(wǎng)，如圖3所示，詳細(xì)內(nèi)容在電子控制系統(tǒng)電路說(shuō)明中EC的機(jī)械特征平衡軸2被設(shè)計(jì)為允許平衡由葉輪產(chǎn)生的負(fù)載，譬如推進(jìn)負(fù)載和徑向負(fù)載，通過(guò) 在轉(zhuǎn)子和定子之間提供充分的動(dòng)態(tài)機(jī)械間隙而對(duì)于整體操作包封條件為葉輪提供穩(wěn)定性。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)載被徑向和軸向軸承所支撐，徑向和軸向軸承是自保持的并被環(huán)境 安全潤(rùn)滑媒介自動(dòng)潤(rùn)滑。平衡軸2被設(shè)計(jì)為可增強(qiáng)剛性并降低重量。EC殼體1由雙層輕質(zhì)材料組成，以便于實(shí)現(xiàn)下列目的i)增強(qiáng)剛性；ii)降低質(zhì)量；iii)有助于整個(gè)組件的漂浮性。EC殼體具有很多附件(索具腿)設(shè)計(jì)為與水泥塊或相似的錨定裝備相接。水泥塊 擱置在水的底部并保持EC在位。水泥塊的前端是符合水動(dòng)力學(xué)的，設(shè)計(jì)為降低在整個(gè)EC 及其錨定裝備上的拽力。EC殼體1具有環(huán)繞浮子11，設(shè)計(jì)為允許整個(gè)EC具有一定程度的向上浮動(dòng)性。到 底部水泥塊的連接迫使EC向下而浮動(dòng)性特征將其向上拉，保持EC平衡在位。側(cè)面附件也 被設(shè)置以確保EC相對(duì)于水流的準(zhǔn)直性。3.詳細(xì)說(shuō)明_電路在發(fā)電機(jī)下游的EC電路包括_絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)-DC 總線-低壓電流斷路器和涌浪-輸入電抗和正弦和諧波過(guò)濾器-隔離輸入變壓器-PLC控制系統(tǒng)和軟件-包括控制器和監(jiān)控集電器的MCC-電源-斷路開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲和安全操作所要求的所有附件IGBT收集從潛水的EC中經(jīng)由水下電纜傳出的能量，并將信號(hào)從AC整流為DC并將 其饋送到DC總線。所有并聯(lián)的EC都饋送能量到該電網(wǎng)，通過(guò)它們獨(dú)立地轉(zhuǎn)化器或通過(guò)公 用的轉(zhuǎn)化器。所有EC具有他們各自的保護(hù)系統(tǒng)，安裝在岸邊的MCC中。在一個(gè)實(shí)施例中，EC產(chǎn)生各種 頻率和在1和IOOHz之間的電壓的能量，且電壓足 夠大從而可以通過(guò)IGBT以及升壓變壓器傳送到電網(wǎng)。轉(zhuǎn)化器同步AC和電網(wǎng)反饋用于頻率、電壓和相位同步。為了該目的的電路示例隨后如圖3和4所示。4.優(yōu)點(diǎn)和益處-EC的總質(zhì)量和大小顯著降低-EC提供輕質(zhì)的葉輪-EC具有輕質(zhì)的軸
-EC消除了在線增速器-EC消除了在葉輪和發(fā)電機(jī)之間的傳統(tǒng)機(jī)械聯(lián)接裝置-EC消除了在線發(fā)電機(jī)-EC具有新穎的完全沒(méi)入水中并且完全水密密縫的殼體，將整個(gè)定子與水隔離同 時(shí)保持其與轉(zhuǎn)子永磁旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的電磁耦合效率-EC增強(qiáng)了穿過(guò)殼體的流動(dòng)并增大了在入口和出口之間的壓降-EC不要求在葉輪葉片或固定葉片上的次級(jí)控制-EC不需要桅桿、三角架或支柱-EC允許產(chǎn)生變化頻率的電能以最大化總效率-EC產(chǎn)生具有不同于電網(wǎng)總線的電壓和頻率，同時(shí)通過(guò)IGBT將其同步到電網(wǎng)的適 當(dāng)頻率、電壓和相位-EC的操作并不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體-EC允許在存在現(xiàn)有電網(wǎng)或不存在現(xiàn)有電網(wǎng)的情況下同時(shí)成組操作-EC允許在沒(méi)有壓載控制器的情況下漂浮能量轉(zhuǎn)化器-EC允許以可負(fù)擔(dān)的每千瓦時(shí)價(jià)格提取可再生能量-降低了每千瓦時(shí)的制造成本-EC增強(qiáng)了可靠性并降低了維護(hù)成本-EC是可運(yùn)輸?shù)?，并可在不需要破壞或大量土木工程的情況下重新定位-EC的重新定位或提升到表面并不需要昂貴的三角架、桅桿或支柱。
權(quán)利要求
一種沒(méi)入水中的渦輪，該渦輪包括 流動(dòng)器，具有入口、出口、內(nèi)表面和外表面； 轉(zhuǎn)子組件，適于將來(lái)自水流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)能，所述轉(zhuǎn)子組件包括葉輪、連接到所述葉輪的第一端的多個(gè)葉片和包封在所述葉輪的第二端中的磁體，所述葉輪的第二端面向所述流動(dòng)器的內(nèi)表面； 固定定子組件，嵌入在所述殼體的所述內(nèi)表面和所述外表面之間，由此是水隔離的，所述定子包括電路并基本與所述磁體對(duì)準(zhǔn)；以及 能量收集設(shè)備，用于促進(jìn)來(lái)自定子組件的電流到外部電流接收器的流動(dòng)，所述能量收集設(shè)備被聯(lián)接到所述定子。
2.如權(quán)利要求1所述的渦輪，還包括至少一個(gè)腔體，其設(shè)置在流動(dòng)器的外表面和內(nèi)表 面之間，所述腔體適于被一流體填充，從而將所述渦輪穩(wěn)定在水表面下方。
3.如權(quán)利要求2所述的渦輪，其中所述流體是空氣。
4.如權(quán)利要求1或2所述的渦輪，其中所述入口和出口具有文氏管型流動(dòng)限制用于加 速流到所述轉(zhuǎn)子組件的質(zhì)量流。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的渦輪，其中所述殼體具有至少一個(gè)固定到其出口附 近的流體分離消除器，所述消除器適于控制形成在所述殼體出口處的旋渦。
6.如權(quán)利要求5所述的渦輪，其中所述流體分離消除設(shè)備是肋。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項(xiàng)所述的渦輪，其中所述殼體由輕質(zhì)材料制成。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的渦輪，還包括平衡軸，其沿著所述殼體的中央縱向 軸線延伸，該軸通過(guò)多個(gè)固定葉片支架和軸承連接到所述殼體的內(nèi)表面，所述固定葉片支 架定位為垂直于所述殼體的中央縱向軸線。
全文摘要
本發(fā)明包括使用輕質(zhì)材料開(kāi)發(fā)環(huán)境友好的新型能量轉(zhuǎn)化器。能量轉(zhuǎn)化器具有高的總效率比。能量轉(zhuǎn)化器能量包括消除了在線發(fā)電機(jī)并替之以周邊電磁耦合設(shè)備，裝置被聯(lián)接到來(lái)自內(nèi)部的葉輪末端并且在能量轉(zhuǎn)化器外部圍繞該葉輪末端。能量轉(zhuǎn)化器無(wú)刷電路和繞組必須使用新型密封技術(shù)完全被密封為與水隔離的，并且都是與水電絕緣的。能量轉(zhuǎn)化器允許能量從潛流中以大范圍的頻率和電壓被提取。
文檔編號(hào)F03B13/10GK101965451SQ200880127226
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2008年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月20日
發(fā)明者喬治斯·P·迪克, 伊邁德·A·哈瑪?shù)? 瑪麗-海倫妮·布賴恩德 申請(qǐng)人:Rsw股份有限公司