水輪機和液泵的製作方法
2023-09-23 05:04:35 1
專利名稱：水輪機和液泵的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種如權利要求1的前序部分所述的裝置，用於將所存儲的水的勢能轉化為電能，或者將電能轉化為水的勢能。這種裝置也可以叫做液力機械(水電機械)，其既可以作為具有發電機的水輪機，也可以作為具有液泵的電動機。
背景技術：
瑞士專利說明書606.793公開了一種具有管型渦輪機或泵的裝置，該裝置包括一個葉輪，該葉輪具有一個大體水平的軸和不可調節的葉片。可以把這種液力機械作為渦輪機使用，將所存儲的水的勢能轉化為電能，還可以把這種液力機械作為泵使用，將電能轉化為水的動能。但是這種技術方案效率較低。
瑞士專利說明書606.801公開了一種具有管型渦輪機或泵的類似裝置。但是，這種裝置中葉輪的葉片是可調節的。對於這種液力機械，葉輪的軸頸在固定輪轂的內部，該固定輪轂支承著導向葉片，並產生葉輪軸的端部所需的間隙。這種技術方案也沒有產生令人滿意的效率。
從美國專利說明書3.353.028(Braikevitch等人於1964年申請)中公知了這樣的技術方案，即，通過磁耦合在中心支承的渦輪機葉輪上安裝外環，該外環被具有永磁體的轉子環推動。該轉子環被滾珠軸承支承。固定的導向葉片安置在渦輪機葉輪前端的上遊。無論從安裝成本還是從效率和養護方面來看，這種結構並不是特別有利的。
從美國專利說明書3.422.275(Braikevitch等人於1965年申請)中公知了一種類似的渦輪機，該渦輪機也是中心支承的，並具有可調節的導向葉片，至於其它方面，該渦輪機具有前述水輪機的相應結構。
從瑞典專利說明書9600118(Nilsson於1996年申請)中公知了這樣的技術方案，即，利用兩個反向轉動的渦輪機葉輪，這兩個葉輪通過固定的傳動裝置機械連接。這種渦輪機具有中心支架和軸，用於將轉矩傳遞給外部的發電機。這種渦輪機由於其結構、渦輪機葉輪的數量以及運行條件的原因，將具有較低的效率。
發明內容
本發明的主要目的是提供一種前序部分所述的液力機械，可以用於兩個或多個反向轉動的葉輪，可以作為渦輪機和泵使用，同相關公知裝置相比可以獲得更好的效率。
本發明的另一個目的是提供一種轉子-定子結構和軸承，該軸承可以避免產生密封問題，而密封問題會導致洩漏和養護問題。
本發明的另一個目的是提供一種用於模塊化設計的裝置，因此可以以靈活的方式在給定的裝置上安裝模塊化單元。這種模塊化單元需要被設計為當更換或維修時只需要儘可能小的工作量就可拆除。
最後，所述類型的裝置必須能夠以最低的結構上和經濟上的成本被安裝，尤其是，對於旋轉部件的軸承來說需要一種結構簡單和廉價的解決方案。
本發明被記載在權利要求1中，從屬權利要求2-14給出了本發明的優選技術特徵。
接下來描述本發明的優點，尤其是與具有發電機的水輪機這樣的裝置連接時的優點。但是本發明作為泵使用時也可以獲得相應的效果。
通過利用本發明的裝置，尤其是通過選擇相互獨立並且反向轉動的葉輪的數量，使得水中能量的轉化可以獲得比公知裝置明顯更好的效率。另外，同公知渦輪機尤其是管型渦輪機相比，本發明的裝置可以通過與能量相關的有利方式使用更高的壓力和/或水頭。
一個重要的優點包括，同瑞典專利申請9600118的裝置相比，可以更好地安裝發電機單元和各個葉輪，並通過這種方式提高效率。
另一個優點包括，這種類型的軸承與公知的中心軸承相比更簡單，且需要的養護更少。
最後，對模塊化單元的使用使得生產和裝配的效率更高。
為了獲得能量轉化的最優結果，需要使本發明中液力機械最重要的部件與工作區域的相關能量和結構環境相適應。
本發明的裝置作為渦輪機的運行模式時，將會獲得水壓的逐步降低，因此，通過兩個或多個渦輪機部件的結合，可以獲得最佳可能的能量輸出和能量轉化的最佳效率，所述兩個或多個渦輪機部件可以相互軸向連接。已經流過葉輪並已經流出葉輪的水實際上已不含有可利用的壓力和動能。
尤其是，從最佳能量轉化的角度看，通過採用多於兩個的渦輪機部件，下述葉輪的反應程度的等級可以是必需的。
上述與作為渦輪機的液力機械應用的連接是以一定的方式進行的，其中可以進行一定的改進和/或相應的變化，當上述裝置作為泵使用時所述方式也是有效的，只是其中的發電機變成了電動機。
據發現，當提供的本發明裝置具有水潤滑的流體動力滑動表面軸承時，同樣是在裝置的沒有完全封閉結構的旁路的情況下，不但可以獲得期望的軸承效果，而且可以獲得流過運動部件和非運動部件之間空間的沿一定方向流動的穩定流，所述運動部件和非運動部件之間的空間也就是旋轉單元邊緣的區域和裝置的固定部分之間的空間。為了獲得滑動表面軸承連接的這種功能，使用了與軸承相關的流體動力學理論來幫助理解。
作為流體動力滑動表面軸承的一個優選實施例，流過裝置的水的一部分作為滑動表面軸承的潤滑劑。至於其餘部分，也可以以這樣的方式設計滑動表面軸承，水以預定的方向穿過該滑動表面軸承的部件之間的空間中，所述水起到潤滑劑的作用。對於滑動表面軸承的這種設計來說，需要補充的是，作為連續的流體穿過滑動表面軸承間隙的結果，可以使所述發電機或發動機的線圈得到冷卻，以及使轉子的永磁體得到冷卻。
為了減少摩擦損失，可以給這種滑動表面軸承相關的側部區域提供減少摩擦的塗層，例如聚四氟乙烯或具有類似效果的材料。在軸承區域是圓柱體形式的情況下，這種塗層也是有利的，圓柱體形式的軸承區域對於流體動力上的平衡壓力是必要的，該平衡壓力對水平布置的旋轉單元產生支承力。這是因為只有當運動部件具有足夠的旋轉/轉速時，流體動力滑動表面軸承才能發揮其作用，因此從軸承開始運行到軸承開始起作用(Stribeck曲線的最低點)的期間存在著混合摩擦，可以通過那些互相接觸的表面上的減少摩擦用的塗層來顯著地降低該混合摩擦的大小。
在本發明範圍內，被設計為管型渦輪機的液力機械的葉輪只包含一個外部軸承，這意味著在旋轉單元邊緣的區域上提供了獨有的一個軸承。另外，如果需要的話，也可以在葉輪的輪轂區域安置一個軸承，例如，可以以機械方式調節穿過輪轂的葉輪的葉片。
為了避免形成不必要的渦流及渦流引起的能量損失，並且獲得管型渦輪機的緊湊結構，葉輪的輪轂具有大體相等的外部橫截面積。此外，有利的是，葉輪的輪轂的相鄰端之間的距離相對較小。
發電機或電動機線圈的耦合可以通過電控電路來進行，從而使能量的轉化得到優化。
接下來，通過圖1-3中的實施例來詳細說明本發明，其中圖1是按照本發明裝置的示意性的透視圖，圖2示意性地示出了按照本發明裝置的局部截面圖，其中具有該裝置的旋轉單元和固定部分，固定部分分配給旋轉單元，而圖3是按照圖2中的裝置沿剖切線III-III看的局部截面圖。
具體實施例方式
圖1所示是按照本發明的裝置1，其主要包括雙向管型渦輪機2，位於壓力側的壓力室3，該壓力室3位於管型渦輪機2的入口，以及吸入管4，該吸入管4位於吸入側，該吸入側也是管型渦輪機2的出口。
壓力室3具有的長度是其直徑的若干倍，該壓力室3的橫截面沿其長度是大體恆定的，吸入管4的橫截面向著其自由端5的方向逐漸變寬。
管型渦輪機2，壓力室3和吸入管4互相連接，並以這樣的方式位於其安裝位置上，在本實施例的情況下，三者沿它們的軸以相同的、大體水平的方向布置。這樣提供了水從入口分別導向壓力室3和管型渦輪機2的最佳可能的直線路徑，直至水離開吸入管4，壓力室3用於在渦輪機之前建立壓力和整平水流，從而獲得最佳可能的完全無旋流體。
圖2示意性地示出了雙向管型渦輪機2的截面圖。管型渦輪機2包括兩個渦輪機部件6和7。渦輪機部件6、7分別包括旋轉單元8和9，旋轉單元8和9分別可旋轉地繞公共幾何軸線12支承在管狀渦輪機殼體10和11內。為了分別在渦輪機殼體10和11內支承旋轉單元8和9，提供了流體動力滑動表面軸承，在後面分別稱為「軸承」13和14。軸承13和14分別封有間隙15和16，間隙15和16中含有流體動力學上的有效流體，該有效流體產生流體動力的平衡壓力，一方面，分別形成固定區域17和18，從而分別形成裝置1的渦輪機殼體10和11的區域，另一方面，分別形成位於旋轉單元8和9的邊緣21和22上的區域19和20。間隙15和16的形成，使得在管型渦輪機2運行期間，分別流過間隙15和16的流體由流過裝置1的水的一部分提供。通過這種方式，不僅可以通過形成相關的平衡壓力來獲得期望的軸承效果，而且定子線圈可以被冷卻，可能旋轉單元8和9的轉子的永磁體也可以分別獲得冷卻。因此，通過相關的結構和間隙15、16的通路，流過間隙15和16的流體沿預定的方向流動，例如圖2中所示，分別沿箭頭23和24所指的方向。為了獲得這種功能，有關軸承的流體動力學理論給出了理論基礎，因此對於這種連接中不必詳細說明結構上的細節。
如圖2所示，軸承13和14的間隙15和16相對於旋轉單元8和9的徑向中平面是分別逐步地和不均勻地形成的。
除了軸承13和14所述的結構上的設計外，這些結構也可以不僅設計為軸向有效的軸承，也可以設計為取消徑向力，在一個管型渦輪機的實施例中，徑向力在大體水平的方向上是有效的。不僅分開示出了軸承13、14的側翼的環狀區域，而且形成實際的流體動力軸承的圓柱形區域都可以塗敷減少摩擦的材料，如Teflon(商標)，上述分開示出的軸承13、14的側翼的環狀區域一方面分別形成旋轉單元8和9的區域，另一方面被指定給裝置1的固定區域。
旋轉單元8和9分別包括葉輪(裝有葉片的)25、26，所述邊緣21、22和轉子27、28。轉子27、28分別包含永磁體29、30的環形排。繞著轉子分別布置著一排定子線圈31、32，通過這種方式形成發電機的定子。在渦輪機殼體10、11內，定子線圈31、32被緊固在環內，所述環分別被緊固在環道44、45上。轉子27、28分別通過有關的邊緣21、22連接到單元上，並與所述定子一起形成最重要的元件。
葉輪25主要包括輪轂33、固定在輪轂33上的不可調節的葉片(翼片)34以及邊緣21，該邊緣把葉片34的外端部穩固地互相連接在一起。
葉輪26主要包括輪轂35、緊固在輪轂上的不可調節的葉片(翼片)36以及邊緣22，該邊緣22把葉片36的外端部連接在一起。
葉輪25的葉片34相對於輪轂33的幾何軸線12以如下這樣的方式設計和調整/校準，葉片34對箭頭37所示流體產生沿逆時針方向衝擊葉輪25壓力側的作用。該作用的程度主要取決於葉輪25的負荷，也就是有關的發電機消耗的動力。相反，葉輪26的葉片36相對於輪轂35的幾何軸線12以如下這樣的方式設計和調整/校準，葉片36對離開葉輪25吸入側然後立即到達葉輪25壓力側的流體產生沿順時針方向的作用。因此，在管型渦輪機2內，相互立即隨動的這兩個葉輪25、26沿互相相反的方向旋轉。
沿徑向方向看，葉輪25、26的輪轂33、35分別具有至少基本相同的橫截面積，最好在它們的相鄰端部38、39封有相對較小的空間。
優選地，葉輪25、26分別具有相同數量的葉片34和36。同樣地，對於分別緊固到轉子27、28上的永磁體29和30的數量選擇，優選提供相同數量的磁體。根據安裝區域中個體能量條件以及管型渦輪機發電方式的情況，也可以使所選的葉片34、36的數量，和/或在渦輪機部件6、7的轉子27、28上的永磁體29、30的數量-或甚至多個渦輪機部件的轉子上的永磁體的數量是不同的。與此相關的是，分別相互電連接的線圈31和32既可以採用串聯方式也可以採用並聯方式。
渦輪機殼體10、11用於分別容納旋轉單元8、9，優選地，渦輪機殼體10、11被設計為互相類似，並優選地被設計為環形，渦輪機殼體10、11分別配備有合作連接凸緣40和41，並分別連接有鑽孔42和43，合作連接凸緣40和41示於圖中，用於安裝未圖示的連接螺栓。通過這種方法，可以依靠一組部件把兩個或多個渦輪機部件互相連接，以及將渦輪機部件分別與吸入管和壓力室連接，只要把相應的一個端部設計為一個完整的裝置。渦輪機殼體10、11在具有環道44、45的徑向平面上是可分開的，因此可以對具有轉子的葉輪進行安裝和拆除。
另外，可以在發電機線圈31、32-可以互相串聯或並聯-的電路中提供公知的電路裝置，用於優化裝置的能量轉換，例如，使用電路元件來分配各個渦輪機部件的發電機消耗的能量，使相關的葉輪上發生相應的作用，並且優化能量輸出或總的葉片功率。
如果將本發明的裝置設計為一種泵，則該裝置可以用於連接水電站或作為船舶的驅動裝置。
同樣，本發明的裝置可以設計為這樣的方式，通過固定部件的插入使葉輪以相同的方向旋轉，所述固定部件具有在這些葉輪之間的導向葉片。同樣，通過對葉輪的單獨控制可以獲得較高的效率。也可以給導向葉片提供可調節的斜面。
權利要求
1.一種具有水輪機或水泵的裝置(1)，尤其是一種管型渦輪機(2)或管型泵，具有沿軸向方向依次布置的相互獨立旋轉的葉輪(25，26)，尤其具有相互相反的葉片斜面並分別與發電機或電動機連接，其特徵在於，每個旋轉葉輪(25，26)都分別與發電機或電動機連接，就旋轉速度和電力功率來說，發電機或電動機被布置成相互獨立地得到控制。
2.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，相鄰的葉輪是反向轉動的。
3.如權利要求1或2所述的裝置，其特徵在於，發電機或電動機的轉子(27)分別包含邊緣(21)，邊緣(21)用於連接每個葉輪(25)的葉片(34)的外端部，這樣葉輪(25)、邊緣(21)和轉子(27)的場磁體形成旋轉單元(8)，該旋轉單元(8)在裝置的環形槽(44、45)的水中轉動。
4.如權利要求3所述的裝置，其特徵在於，場磁體是永磁體。
5.如權利要求3或4所述的裝置，其特徵在於，發電機或電動機的線圈分別繞轉子(27)被布置在環形槽(44、45)中。
6.如權利要求1-5所述的裝置，其特徵在於，轉子(27)的邊緣(21)被包含在軸向軸承(13、14)內，軸向軸承(13、14)位於與裝置水道相對的環形槽(44、45)的邊緣。
7.如權利要求1-6中任一個所述的裝置，其特徵在於，每個葉輪的水道包括安置在管道內的凸緣軸承(40、41)管部件(10、11)，該凸緣軸承(40、41)管部件(10、11)具有相應的凸緣軸承端部。
8.如權利要求7所述的裝置，其特徵在於，凸緣軸承管部件(10、11)可以在橫向方向上在定子的中心區域被分開，用於安裝轉子(27)。
9.如權利要求3或4所述的裝置，其特徵在於，凸緣軸承管部件(10、11)形成模塊化單元裝置，用於裝配若干個這種連續的模塊化單元，其中所含的葉輪的旋轉方向是變化的。
10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，葉輪的輪轂(33)與凸緣軸承管部件(10、11)具有大體相同的長度，葉輪的輪轂(33)與所有模塊化單元具有大體相同的外部直徑。
11.如權利要求1-10所述的裝置，其特徵在於，該裝置包括位於所述旋轉單元(分別是旋轉單元8和9)邊緣(21、22)區域中的兩個水潤滑的滑動表面軸承(13、14)。
12.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於，水潤滑的滑動表面軸承用於產生流過環道(44、45)間隙的水流。
13.如權利要求1所述的裝置，其特徵在於，通過非旋轉導向葉片的插入使葉輪以相同的方向旋轉，所述非旋轉導向葉片位於相鄰的葉輪之間。
14.如權利要求1-13所述裝置的應用，將該裝置設計為泵，用於驅動船舶。
全文摘要
一種具有水輪機或水泵的裝置，尤其是具有兩個或多個葉輪(25、26)的管型渦輪機(2)，所述兩個或多個葉輪(25、26)相互獨立地轉動並沿軸向方向連續布置，尤其是該管型渦輪機(2)具有相互相反的葉片斜面。每個葉輪(25、26)都與發電機或電動機連接，就旋轉速度和電力功率來說，發電機或電動機被相互獨立地控制。
文檔編號B63H23/24GK1809695SQ200480017533
公開日2006年7月26日 申請日期2004年6月25日 優先權日2003年6月25日
發明者J·羅爾維克 申請人:辛文特公司