水力渦輪的制造方法【專利摘要】本發(fā)明涉及水力渦輪發(fā)電。特別地，涉及一種在水體中發(fā)電的水力渦輪機(jī)。提供一種在水體內(nèi)運(yùn)行以發(fā)電的渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括：(a)殼體，該殼體具有用于接收水的進(jìn)水口和用于允許水離開的出水口；和(b)設(shè)置在殼體中并位于進(jìn)水口和出水口中間的發(fā)電單元，發(fā)電單元包括響應(yīng)于水流而繞軸線旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)螺旋槳，其中，進(jìn)水口包括：用于將水引導(dǎo)至發(fā)電單元的喇叭形外端；和設(shè)置在進(jìn)水口的喇叭形外端內(nèi)的截錐體，該截錐體的喇叭形部分從進(jìn)水口中突出。【專利說明】水力渦輪機(jī)【
技術(shù)領(lǐng)域：
】[0001]本發(fā)明涉及水力渦輪發(fā)電。特別地，本發(fā)明涉及一種用于在水體內(nèi)發(fā)電的水力渦輪機(jī)。【
背景技術(shù)：
】[0002]水力渦輪機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，其將流動(dòng)的水的能量轉(zhuǎn)化成用于公用電網(wǎng)的電能。具體地，水沖擊水力渦輪機(jī)的渦輪葉片以使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的機(jī)械能則被發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化成電能。[0003]水力渦輪機(jī)通常被認(rèn)為是清潔動(dòng)力發(fā)生器，因?yàn)闇u輪機(jī)基本上不會(huì)引起水的改變。他們利用可再生的能源并被設(shè)計(jì)成可使用數(shù)十年。水力渦輪機(jī)產(chǎn)生了大量的世界電力供給。然而，現(xiàn)有的水力渦輪機(jī)需要巨大的螺旋槳葉片和深的水深，以產(chǎn)生所需數(shù)量的能量和電網(wǎng)所需的電量。[0004]已提出許多水力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)用于從流動(dòng)的水體中發(fā)電，包括在河流和海洋中的應(yīng)用。然而，它們都不可移動(dòng)且不能提供所需要的能量需求。特別的，不存在小型便攜式(portable)的、易于安裝、低成本且能產(chǎn)生所需的電力輸出的水力渦輪機(jī)。本發(fā)明的目的是解決這些現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的多個(gè)問題?！?br/>發(fā)明內(nèi)容】[0005]本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種在水體中運(yùn)行以發(fā)電的渦輪機(jī)，該渦輪機(jī)包括:(a)殼體，該殼體具有用于接收水的進(jìn)水口和用于允許水離開的出水口；和(b)設(shè)置在殼體中并位于進(jìn)水口與出水口中間的發(fā)電單元，該發(fā)電單元包括響應(yīng)于水流而繞軸線旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)螺旋槳，其中，進(jìn)水口包括:喇叭形外端，該喇叭形外端用于將水引導(dǎo)至發(fā)電單元；和截錐體，該截錐體設(shè)置在進(jìn)水口的喇叭形外端內(nèi)，該截錐體的喇叭形部分從進(jìn)水口突出。[0006]“水體”的含義包括江河、溪流、運(yùn)河、潮汐海灣、海洋和其它的流動(dòng)水環(huán)境。[0007]“進(jìn)水口”指的是允許水進(jìn)入到渦輪機(jī)中的任何結(jié)構(gòu)和裝置?！巴舛恕敝傅氖亲钸h(yuǎn)離發(fā)電單元的端部。進(jìn)水口的“內(nèi)端”是離發(fā)電單元最近的端部。優(yōu)選地，進(jìn)水口的外端構(gòu)成渦輪機(jī)殼體外部的一部分。“喇叭形外端”指的是，從進(jìn)水口的內(nèi)端到外端，尺寸在增加。在優(yōu)選實(shí)施例中，進(jìn)水口是圓柱形的，并且優(yōu)選地，進(jìn)水口的直徑朝外端逐漸增加。[0008]“截錐體”指的是錐體被平行于底部的平面切割，頂部被拿掉所剩下的任何結(jié)構(gòu)。進(jìn)水口和截錐體都允許水流過并將水引導(dǎo)至發(fā)電單元。有利地，這增加了水流進(jìn)渦輪和流向發(fā)電單元的螺旋槳的面積。該構(gòu)造可以增加水的質(zhì)量流速。水的速度越高，螺旋槳將旋轉(zhuǎn)得越快。這從而增加了渦輪機(jī)的發(fā)電量。[0009]優(yōu)選地，其中進(jìn)水口和截錐體是文丘里形的。[0010]“文丘里”的含義包括在任意流體的路徑中具有收縮的喉部，從而由于流體在給定方向上移動(dòng)而導(dǎo)致壓降的任意結(jié)構(gòu)或裝置。[0011]優(yōu)選地，進(jìn)水口和截錐體包括引導(dǎo)部，用于引導(dǎo)水流向葉片組件。[0012]優(yōu)選地，所述兩個(gè)螺旋槳繞軸線在相反的方向上旋轉(zhuǎn)。有利地，這使得給定的尺寸的渦輪具有雙倍的電力輸出。[0013]優(yōu)選地，殼體還包括具有喇叭形端部的出水口。[0014]優(yōu)選地，殼體還包括用于在水進(jìn)入發(fā)電單元之前將空氣引入到水中的進(jìn)氣口。[0015]有利地，本發(fā)明的渦輪機(jī)相對(duì)于其能夠產(chǎn)生的電力輸出在尺寸上更小。這是由于存在兩個(gè)進(jìn)水口和在相反方向上旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)螺旋槳。不具有這些特征的渦輪機(jī)具有近似三倍大的尺寸，因此在很多江河系統(tǒng)中可能是無(wú)法應(yīng)用的或不可移動(dòng)的。[0016]本發(fā)明的第二個(gè)方面，提供一種使用根據(jù)本發(fā)明的第一方面的渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電的方法?！緦＠綀D】【附圖說明】[0017]為了可以充分理解本發(fā)明且易于本發(fā)明的實(shí)際實(shí)施，現(xiàn)在將通過本發(fā)明的僅僅為優(yōu)選實(shí)施例的非限制性實(shí)施例接合附圖進(jìn)行說明。[0018]其中:[0019]圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的渦輪機(jī)的截面圖；并且[0020]圖2是圖1的透視圖。【具體實(shí)施方式】[0021]參考附圖，圖1示出了用于在水體中運(yùn)行以產(chǎn)生能量和電力的渦輪機(jī)10。[0022]渦輪機(jī)10包括殼體15，殼體15具有進(jìn)水口(inlet)20和出水口(outlet)25。發(fā)電單元25容納在該殼體中并位于進(jìn)水口20和出水口25中間。進(jìn)水口20具有離發(fā)電單元25最遠(yuǎn)的喇叭形外端。發(fā)電單元25具有響應(yīng)于水流而繞軸線旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)螺旋槳30、40。該水流由圖1所示的箭頭表示。進(jìn)水口20接收水并將水引導(dǎo)到發(fā)電單元25的螺旋槳30、40。然后，水在出水口25處離開渦輪機(jī)并流出。[0023]在本發(fā)明的示例性實(shí)施例中，截錐體22設(shè)置在進(jìn)水口20內(nèi)。截錐體22的喇叭形部分從進(jìn)水口20中突出。進(jìn)水口20和截錐體22都將水接收到渦輪機(jī)中(如箭頭所示)并且，如圖所示，它們可以是文丘里形的。從這些圖中可以看出，離發(fā)電單元25最遠(yuǎn)的端部比離發(fā)電單元25較近的端部要寬。換句話說，進(jìn)水口20和截錐體22在離發(fā)電單元25較近處具有收縮的喉部，這使得進(jìn)入渦輪機(jī)10中的水的壓力減小。在這些圖中，壓力差由“+”(高壓)和低壓)表示。當(dāng)水進(jìn)入進(jìn)水口20和截錐體22時(shí)，沿著(across)進(jìn)水口20和截錐體22的長(zhǎng)度產(chǎn)生壓降。在與渦輪機(jī)10的進(jìn)口相比更靠近發(fā)電單元25的位置處，出現(xiàn)低壓力其效果是大大增加渦輪機(jī)10的質(zhì)量流量，并且增大了流速。換句話說，該壓力差允許更多的水被更快地吸入渦輪機(jī)10中以使發(fā)電單元25的螺旋槳30、40轉(zhuǎn)動(dòng)，即，它加速了水經(jīng)過渦輪機(jī)10的的流動(dòng)。[0024]由于進(jìn)水口的目的是增加水的質(zhì)量流量，所以進(jìn)水口20和截錐體22都具有光滑的內(nèi)表面以減小阻力。典型的結(jié)構(gòu)材料是鑄鋼或鋼制板。[0025]進(jìn)水口20和截錐體22還可以被稱為管嘴(nozzle)。這些管嘴的形狀在渦輪機(jī)10后方產(chǎn)生低壓的補(bǔ)充氣壓(subatmosphere),從而允許潤(rùn)輪機(jī)10以更高的效率運(yùn)行,所述效率典型地比貝茲極限(59.3%)更高，比能夠在自由流或開放流中使用同直徑的渦輪機(jī)10的效率更高。[0026]有利的是，本發(fā)明的這種布置結(jié)構(gòu)允許水經(jīng)由進(jìn)水口20進(jìn)入渦輪機(jī)10，并且截錐體22增加了水的質(zhì)量流量。這意味著:渦輪機(jī)10具有更高的效率，它是在開放流動(dòng)條件下的同樣渦輪機(jī)(不帶有喇叭形外端的進(jìn)水口和截錐體)的功率的3-4倍。接近100%的效率是可能的，這是因?yàn)檫M(jìn)水口有效促進(jìn)了從等于進(jìn)水口尺寸而不是渦輪機(jī)尺寸的水橫截面的能量的獲取。其尺寸與管道開口的直徑相同的渦輪機(jī)將產(chǎn)生類似量的電力。[0027]進(jìn)水口20和截錐體22可包括引導(dǎo)部35，用于將水引導(dǎo)至發(fā)電單元25。[0028]關(guān)于發(fā)電單元25，螺旋槳30、40可以是彼此反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槳。這意味著該兩個(gè)螺旋槳30、40繞同一軸線在兩個(gè)相反方向上旋轉(zhuǎn)。這些螺旋槳30、40允許在水流條件下可用的最大能量的回收。通常，兩個(gè)螺旋槳30、40布置成一個(gè)在另一個(gè)后方，并且動(dòng)能被以旋轉(zhuǎn)方式轉(zhuǎn)化至渦輪機(jī)10。螺旋槳30、40可彼此靠近地布置，或者彼此間隔開適合產(chǎn)生所需能量的距離。螺旋槳30、40可以彼此盡可能近地布置，以便水流下游的第二螺旋槳40能夠從第一螺旋槳30獲得旋轉(zhuǎn)能量。螺旋槳30、40之間的距離取決于定子的長(zhǎng)度，因此應(yīng)該盡可能短。如果螺旋槳30、40彼此隔開很遠(yuǎn)，則旋轉(zhuǎn)能量將受到損失。[0029]以高的水質(zhì)量流過雙螺旋槳發(fā)電單元25的水導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)的葉片產(chǎn)生大量的切向或旋轉(zhuǎn)的水流。該切向水流的能量在單螺旋槳渦輪機(jī)設(shè)計(jì)中被浪費(fèi)了。本發(fā)明的渦輪機(jī)10通過將第二螺旋槳40放置在第一螺旋槳30后方來(lái)使用這些被浪費(fèi)的能量，第一螺旋槳30利用了擾動(dòng)的水流。[0030]有利地，此發(fā)電單元25將不具有旋轉(zhuǎn)水流，從而產(chǎn)生最大量的均勻通過螺旋槳盤的水，導(dǎo)致高的性能和所引起的低的能量損失。優(yōu)選地，兩個(gè)螺旋槳30、40可以具有不同數(shù)目的葉片(例如，前面的螺旋槳具有4個(gè)葉片，后面的具有5個(gè)葉片)。[0031]彼此反向旋轉(zhuǎn)的所述螺旋槳在正常運(yùn)行條件下允許最大的功率和效率，并且還能夠在不需要滿功率或有維護(hù)需求的時(shí)段內(nèi)、當(dāng)其中一個(gè)螺旋槳不工作時(shí)，僅運(yùn)行所述螺旋槳中的另一個(gè)。[0032]螺旋槳可以使用用于渦輪機(jī)的開普蘭式(Kaplan)螺旋槳，其用作向心式反作用渦輪，這意味著隨著工作流體移動(dòng)通過渦輪，工作流體改變壓力，并釋放能量。[0033]馬達(dá)組件45設(shè)置在該兩個(gè)螺旋槳30、40之間。每個(gè)螺旋槳均可以具有其自己的馬達(dá)，并包括與每個(gè)螺旋槳相關(guān)聯(lián)的定子部分、轉(zhuǎn)子部分、驅(qū)動(dòng)軸、支撐軸承和密封組件。該兩個(gè)螺旋槳30、40可以彼此獨(dú)立地工作。例如，每個(gè)螺旋槳單元均可以有大約10kW的輸出。因此，在本發(fā)明的雙螺旋槳渦輪機(jī)中，所產(chǎn)生的總電量翻倍了(例如200kW)。功率輸出可根據(jù)螺旋槳的尺寸、并因此根據(jù)渦輪機(jī)的尺寸而變化。為了從旋轉(zhuǎn)的螺旋槳中產(chǎn)生能量，馬達(dá)組件45結(jié)合了交流發(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)。為了最小化總重量和尺寸，可使用永磁體馬達(dá)。這些馬達(dá)使用由釹或本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其它基本元素制成的高能磁鐵。由于具有高的磁通密度，具有高能永久磁鐵的電機(jī)至少與所有最優(yōu)設(shè)計(jì)的單反饋同步和感應(yīng)電機(jī)相當(dāng)。渦輪機(jī)10產(chǎn)生DC電壓，該DC電壓可被饋送并連接到VFD(可變頻率驅(qū)動(dòng))控制器。VFD控制器將DC電轉(zhuǎn)變?yōu)锳C電，并且還調(diào)整電壓和頻率。這確保渦輪機(jī)10向電網(wǎng)供給恒定頻率的電力，使得這樣的輸出隨后可以連接到電網(wǎng)。[0034]水在出水口25處流出渦輪機(jī)10的殼體15。出水口25的離發(fā)電單元25最遠(yuǎn)的端部是喇叭形的。該出水口25是特別成形的引流管，它有助于使水減速并重新獲得額外的動(dòng)能。該喇叭形端部還允許水流在再次進(jìn)入水體之前減速，以最小化對(duì)水體的岸部或底部的任何潛在破壞。[0035]渦輪機(jī)10還包括進(jìn)氣口(inlet)50，用于在水進(jìn)入發(fā)電單元25之前將空氣引入到該水中。這允許水在重新回到水體時(shí)充滿氣體。這種充滿氣體的水對(duì)可能存在于水體中的生物是有益的。[0036]有利地，可以用纜索將渦輪機(jī)10固定在岸邊或大陸上，在那里渦輪機(jī)可被連入電網(wǎng)，或能夠縮小尺寸以向大型民用基礎(chǔ)設(shè)施不可用的遙遠(yuǎn)村落提供電量。其可以漂浮在浮筒下，或者固定到海床/河床。如果渦輪機(jī)10設(shè)置成高和低潮汐之間的高度(或頂端)的不同可被用來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電單元25，則本發(fā)明可以用于提取“勢(shì)能”。渦輪機(jī)10的尺寸可根據(jù)所要求的電力輸出需求而變化。[0037]前面的說明書中已經(jīng)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，而本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以做出涉及設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)的多種變型或改型?！緳?quán)利要求】1.一種用于在水體中運(yùn)行以發(fā)電的渦輪機(jī)，所述渦輪機(jī)包括:(a)殼體，所述殼體具有用于接收水的進(jìn)水口和用于允許水離開的出水口；和(b)發(fā)電單元，所述發(fā)電單元設(shè)置在所述殼體中并位于所述進(jìn)水口和所述出水口中間，所述發(fā)電單元包括響應(yīng)于水流而繞軸線旋轉(zhuǎn)的兩個(gè)螺旋槳，其中，所述進(jìn)水口包括:喇叭形外端，所述喇叭形外端用于朝向所述發(fā)電單元引導(dǎo)水；和截錐體，所述截錐體設(shè)置在所述進(jìn)水口的喇叭形外端內(nèi)，所述截錐體的喇叭形部分從所述進(jìn)水口中突出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)，其中，所述進(jìn)水口和所述截錐體是文丘里形的。3.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述進(jìn)水口和所述截錐體包括引導(dǎo)部，用于將水引導(dǎo)至葉片組件。4.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述兩個(gè)螺旋槳繞所述軸線在兩個(gè)相反方向上旋轉(zhuǎn)。5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述出水口包括喇叭形外端。6.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)，其中，所述殼體還包括用于在水進(jìn)入所述發(fā)電單元之前將空氣引入到水中的進(jìn)氣口。7.一種渦輪機(jī)，基本如參考附圖在此描述的渦輪機(jī)。8.一種使用根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的渦輪機(jī)來(lái)發(fā)電的方法?！疚臋n編號(hào)】F03B11/02GK104204509SQ201180075472【公開日】2014年12月10日申請(qǐng)日期:2011年12月12日優(yōu)先權(quán)日:2011年12月12日【發(fā)明者】韓志華,波特·德韋斯申請(qǐng)人:英德集團(tuán)