水流發電機的製作方法
2023-05-16 05:58:41 2
專利名稱：水流發電機的製作方法
技術領域：
本發明設計一種響應於水流發電的發電機，具體涉及一種具有可圍繞中心體旋轉的渦輪葉片的水下發電機。
背景技術：
隨著對環保發電需求的增加，已經提出了許多代替碳產(carbonproduced)電力的方案。例如，在美國專利No.3,209,156中公開了一種用於向水下測量和感測單元供應有限電力的水下發電機。所供應的電為海洋設備的水下通信和管理提供能量。上述專利中的發電機包括安裝有多個周向隔開的葉片的中央殼體，所述葉片使軸頸安裝(journal)在殼體上的轂旋轉，從而永磁體和定子繞組的結構發電以向所述設備提供電力。然而，所公開的發電機以相對於傳統渦輪較低的速度轉動，從而導致發電潛力相當低。採用該專利的構造對於陸用商業發電尤其不可行。因此，需要研製一種水下發電機來產生用於陸地商業用途的電。
發明內容
在本發明的優選實施例中，提供了一種布置在水流中的發電機，包括中心體，在體內承載有多個定子線圈並限定基本縱向軸線；一對環形轂，可圍繞中心體旋轉並由中心體承載，每個轂安裝有多個渦輪葉片和多個用於產生磁通的磁體，所述轂圍繞定子線圈定位，從而響應於葉片和轂圍繞中心體的旋轉通過磁通與線圈的交感來發電；所述葉片沿水流方向後傾並具有自由端。
在本發明的另一實施例中，提供了一種布置在水流中的發電機，包括中心體，在體內承載有多個定子線圈並限定基本縱向軸線；一對環形轂，可圍繞中心體旋轉並由中心體承載，每個轂安裝有多個渦輪葉片和多個用於產生磁通的磁體，所述轂圍繞定子線圈定位，從而響應於葉片和轂圍繞中心體的旋轉通過磁通與線圈的交感來發電；所述葉片的至少部分能圍繞不與所述縱向軸線平行的軸線旋轉從而使所述葉片部分能夠旋轉運動。
圖1是根據本發明優選實施例構造的水流發電機的示意圖；圖2是其剖視圖；圖3是其局部放大剖視圖，示出了在電池再充電操作期間系留(tethering)葉片的方法和裝置；圖4是表示水支承結構(water bearing)的放大局部剖視圖。
具體實施例方式
現在參照附圖，尤其是圖1，其中示出了用於發電的水下發電機(由附圖標記10總體表示)，其包括定子芯部殼體12和轉子，該轉子包括至少一對安裝在反轉渦輪轂18和20上的反轉葉輪葉片或渦輪葉片14和16。如圖所示，安裝在轂上的葉輪葉片14和16彼此周向隔開，並且它們的徑向外端敞開，即，頂端不相互連接。發電機10構成為系在水下錨22上。系鏈(tether)24使錨22與定子殼體12的突出部上的接合件26互連。另外，如圖1所示，由發電機10產生的電優選地通過由系鏈24承載的電線向錨輸送，然後經由電線28輸送至用於商業配電的陸地公用場所。
如圖2所示，各個轂18和20在它們的軸向隔開的環形陣列中承載有多個周向隔開的磁體32。多個定子線圈34與永磁體32徑向相對，纏繞在鐵芯周圍並由芯部殼體12承載。可以理解的是，當轂18和20相對於固定的定子芯部旋轉時，磁通與定子繞組配合產生電。因為產生的電力是水流速度的三次冪函數，所以非常有益的是將設備定位在高速水流區從而增加水流經過和穿過葉片的速度。為此，通過在設備的中央定位較大殼體，使正常時會穿過該區域的水必須繞過中央殼體。這提高了水經過葉片區的速度，從而改善了發電。例如，對於五百千瓦的渦輪，總直徑為34英尺，芯部殼體直徑可近似為14英尺。由於這些尺寸並且發電機中央被芯部殼體12堵住，因此經過轉子葉片的速度顯著提高例如約17％，從而使得理論可用電力增加大約60％。
參照圖2和圖4，轂18和20均終止於錐形後支承表面。例如，轂20的支承表面40呈錐形或沿向後和徑向向外的方向傾斜。定子芯部殼體12上的配合支承表面42同樣沿向後、徑向向外的方向呈錐形。表面40和42優選由聚合材料形成。由於所述表面的錐形，作用在葉片上的水流抵靠芯部殼體12的錐形表面42使轂18和20座置並定心在軸線上。另外，在支承表面40和42之間形成流體動力膜。這是通過位於芯部殼體12內的泵46實現的。泵46經由導管48抽吸海水並向支承表面40與42之間泵送海水。流體動力膜降低了摩擦和磨損，並且在起動期間特別有益，因為一旦渦輪葉片以最高速度運轉，葉片就會在磁力作用下對中。這還有助於高速補償軸向推力。另外，在通向泵的吸入管路中安裝磁體和過濾器來過濾受迫潤滑水，將有助於防止碎屑進入定子與轉子之間的間隙，並使磁性材料保持遠離由轉子中的永磁體和定子中的線圈所產生的磁區。
如圖2中最佳所示，葉片14和16沿水流方向後傾。另外，如圖1所示，葉片14和16在它們的外端處敞開。這有助於保持葉片擺脫碎屑，從而使葉片能夠丟棄來自轉子的碎屑。
如上所述，轉子是反轉的。這樣，芯部殼體上的淨轉矩可被平衡為零，從而防止殼體12自旋並將其保持在基本不能旋轉的方位。雖然葉片優選彼此獨立地反轉，但是葉片也可以彼此配合從而以相同的轉速轉動。這可以通過機械嚙合或者在兩個轉子之間放置支重輪而實現。而且，由於兩個定子電連接在一起，因此兩個轉子將在電力作用下被迫以相同轉速轉動，從而不需要機械同步。另外，預計前轉子在水流中比後轉子更有效。因此，後轉子可具有大於前轉子的直徑，從而基本上平衡轉矩。
在芯部殼體12中設置有壓載室(ballast compartment)。具體地，設置有前壓載室50和後壓載室52。設置圖2中所示的泵54，用於分別向前壓載室50和後壓載室52並從它們泵送海水。泵54的壓力側通過閥56與前壓載室50、後壓載室52中的任一個或兩個壓載室連通。壓載室可進行壓載以使發電機保持處於水面下可調的最佳深度。因此，可升高或降低設備以通過將設備定位在最高速的水流中而使發電最優化。另外，如果給定深度處的水流太強，則可通過調整壓載物來改變深度。所示的壓載室位於芯部殼體的下部，從而空出芯部殼體的上部用來安裝所需的電力設備。因此，壓載物用作擺動體而利於防止發電機中心體旋轉。因為僅存在一個點連接，即系鏈24，所以發電機可以沿任何方向圍繞錨點樞轉以保持在水流中的方位，而不會在一側或另一側上導致過大的應變。而且，通過具有前、後壓載室，可以調整設備在水流中的姿態。
當需要維護髮電機時，儘管水下的水流繼續流動，也要使葉片停止旋轉。這樣為了維修發電機，有必要使葉片停止旋轉並停止發電。可以通過斷開負載而停止發電。然而，這並不能使葉片停止旋轉而且可能由於沒有負載而使其轉速提高。此外，發電機可能會繼續產生電壓，該電壓和寄生電流會危害維護人員，並且由於過熱和絕緣擊穿而危害設備。
為了使葉片停止旋轉(若不然會增加發電機的阻力從而增加系鏈上的負載)，使轉子葉片順槳(feather)。如所示，使葉片沿其長度扭轉，從而即使在順槳時葉片也不會有完全阻止旋轉的典型位置(typicalposition)。因此，渦輪葉片14和16優選地形成為兩部分，即，內葉片部分58和外葉片部分60。軸62(圖3)使外葉片部分和內葉片部分互連。因此，通過使軸62相對於內葉片部分58旋轉，可使外葉片部分60旋轉對準至順槳位置，即，沿與內葉片部分58的扭轉相反的方向扭轉的位置。這樣內、外葉片部分的反向扭轉趨於使整個葉片順槳。
發電機的水下環境提出了如何在該環境下使葉片順槳的問題。參照圖3，優選在各個轂18和20中設置與定子殼體12上的多個永磁體72相對的勵磁繞組70。轂和定子殼體分別用作轉子和定子。定子繞組70可以很小並且僅產生足以維持位於轂中的電池(例如，電池74)上的存儲電荷的電力。電池74又連接至電致動器76，該電致動器機械連接至軸62以使該軸旋轉從而使外葉片部分60旋轉。一旦外葉片部分60旋轉至期望的順槳操作位置，就在內、外葉片之間形成機械互鎖。除了給電池74充電時之外，定子繞組70和永磁體72不會對轂的旋轉施加阻力。當完全充滿時，不在轂上施加負載。可以通過芯部殼體12與轉子之間的信號實現致使葉片順槳(即，致動致動器76)的電信號。轉子的外部分還可以相對於彼此調整以平衡由發電機承載的負載。因此當發電機停止使用，例如維修時，使外葉片部分旋轉至一位置，在該位置水流在葉片上產生的轉矩很小或者沒有。另外，在順槳時，發電機主體上的合成阻力顯著小於在僅例如通過制動使葉片停止的情況下所產生的阻力。一旦使葉片停止，芯部殼體12中的壓載物就調整為使發電機浮向水面以維修。這樣，可使由於轉子旋轉產生的電氣和機械危害最小化。
雖然結合當前被認為是最實用和最優選的實施例描述了本發明，但應理解本發明不限於所公開的實施例，相反，本發明旨在涵蓋包含在所附權利要求的精神和範圍內的各種修改和等同結構。
權利要求
1.一種布置在水流中的發電機，包括中心體，在體內承載有多個定子線圈並限定基本縱向軸線；一對環形轂，可圍繞所述中心體旋轉並由所述中心體承載，每個所述轂安裝有多個渦輪葉片和多個用於產生磁通的磁體，所述轂圍繞所述定子線圈定位，從而響應於所述葉片和轂圍繞所述中心體的旋轉通過所述磁通與所述線圈的交感來發電；所述葉片沿水流方向後傾並具有自由端；並且所述轂和所述中心體包括配準的支承表面，並且由所述中心體支承的泵用於將水泵送到支承結構中以在所述支承表面之間產生流體動力膜。
2.如權利要求1所述的發電機，其特徵在於，所述支承表面相對於所述縱向軸線傾斜，從而使所述轂自定心在所述中心體上。
3.如權利要求1所述的發電機，其特徵在於，所述葉片的至少部分能圍繞不與所述縱向軸線平行的軸線旋轉，從而使所述葉片部分能夠旋轉運動。
4.如權利要求3所述的發電機，其特徵在於，所述葉片部分由均具有軸線的軸承載，並包括用於使所述葉片部分圍繞所述軸的軸線旋轉的致動器。
5.如權利要求4所述的發電機，其特徵在於，包括由所述中心體承載的第二磁體和由所述轂中的至少一個承載的第二勵磁繞組，從而通過所述第二磁體的磁通與所述第二勵磁繞組的交感來發電而驅動所述致動器。
6.如權利要求5所述的發電機，其特徵在於，所述第二磁體和所述第二勵磁繞組電連接至由可旋轉的所述一個轂及其承載的葉片承載的至少一個電池，用於在所述一個轂和葉片相對於所述中心體旋轉時對所述電池進行充電。
7.如權利要求6所述的發電機，其特徵在於，所述電池電連接至所述致動器以使所述葉片部分旋轉。
8.如權利要求1所述的發電機，其特徵在於，包括連接至所述中心體的系鏈。
9.一種布置在水流中的發電機，包括中心體，在體內承載多個定子線圈並限定基本縱向軸線；一對環形轂，可圍繞所述中心體旋轉並由所述中心體承載，每個所述轂安裝有多個渦輪葉片和多個用於產生磁通的磁體，所述轂圍繞所述定子線圈定位，從而響應於所述葉片和轂圍繞所述中心體的旋轉通過所述磁通與所述線圈的交感來發電；所述葉片的至少部分能圍繞不與所述縱向軸線平行的軸線旋轉，從而使所述葉片部分能夠旋轉運動；所述葉片部分由均具有軸線的軸承載，並包括用於使所述葉片部分圍繞所述軸的軸線旋轉的致動器、由所述中心體承載的第二磁體以及由所述轂中的至少一個承載的第二勵磁繞組，從而通過所述第二磁體的磁通與所述第二勵磁繞組的交感來發電而驅動所述致動器；並且所述第二磁體和所述第二勵磁繞組電連接至由可旋轉的所述一個轂及其承載的葉片承載的至少一個電池，用於在所述一個轂和葉片相對於所述中心體旋轉時對所述電池進行充電。
10.如權利要求9所述的發電機，其特徵在於，所述電池電連接至所述致動器以使所述葉片部分旋轉。
11.如權利要求9所述的發電機，其特徵在於，包括連接至所述中心體的系鏈。
全文摘要
一種水下發電機，包括定子芯部和反轉的渦輪葉片，並且在轂中具有永磁體而在芯部殼體中具有繞組。當被殼體的突出部系留時，水流使渦輪葉片旋轉以產生電流，該電流經由系鏈供應至陸地公用場所用於商業用途。設置壓載室以將發電機保持在預定深度。在旋轉的轂和芯部殼體中分別設置小定子繞組和永磁體，從而對轂中的電池充電以改變葉片的斜度，使得葉片可順槳以停機維修。
文檔編號F03B3/14GK1893231SQ200610100560
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月3日 優先權日2005年7月5日
發明者大衛·F·布拉希爾斯 申請人:根科工業公司