CN104204509A - 水力涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力涡轮发电。特别地，涉及一种在水体中发电的水力涡轮机。提供一种在水体内运行以发电的涡轮机，该涡轮机包括：(a)壳体，该壳体具有用于接收水的进水口和用于允许水离开的出水口；和(b)设置在壳体中并位于进水口和出水口中间的发电单元，发电单元包括响应于水流而绕轴线旋转的两个螺旋桨，其中，进水口包括：用于将水引导至发电单元的喇叭形外端；和设置在进水口的喇叭形外端内的截锥体，该截锥体的喇叭形部分从进水口中突出。

Description

水力涡轮机

技术领域

本发明涉及水力涡轮发电。特别地，本发明涉及一种用于在水体内发电的水力涡轮机。

背景技术

水力涡轮机是一种能量转化系统，其将流动的水的能量转化成用于公用电网的电能。具体地，水冲击水力涡轮机的涡轮叶片以使转子旋转。旋转的转子的机械能则被发电机转化成电能。

水力涡轮机通常被认为是清洁动力发生器，因为涡轮机基本上不会引起水的改变。他们利用可再生的能源并被设计成可使用数十年。水力涡轮机产生了大量的世界电力供给。然而，现有的水力涡轮机需要巨大的螺旋桨叶片和深的水深，以产生所需数量的能量和电网所需的电量。

已提出许多水力涡轮机的设计用于从流动的水体中发电，包括在河流和海洋中的应用。然而，它们都不可移动且不能提供所需要的能量需求。特别的，不存在小型便携式(portable)的、易于安装、低成本且能产生所需的电力输出的水力涡轮机。本发明的目的是解决这些现有设计中存在的多个问题。

发明内容

本发明的一个方面，提供一种在水体中运行以发电的涡轮机，该涡轮机包括：(a)壳体，该壳体具有用于接收水的进水口和用于允许水离开的出水口；和(b)设置在壳体中并位于进水口与出水口中间的发电单元，该发电单元包括响应于水流而绕轴线旋转的两个螺旋桨，其中，进水口包括：喇叭形外端，该喇叭形外端用于将水引导至发电单元；和截锥体，该截锥体设置在进水口的喇叭形外端内，该截锥体的喇叭形部分从进水口突出。

“水体”的含义包括江河、溪流、运河、潮汐海湾、海洋和其它的流动水环境。

“进水口”指的是允许水进入到涡轮机中的任何结构和装置。“外端”指的是最远离发电单元的端部。进水口的“内端”是离发电单元最近的端部。优选地，进水口的外端构成涡轮机壳体外部的一部分。“喇叭形外端”指的是，从进水口的内端到外端，尺寸在增加。在优选实施例中，进水口是圆柱形的，并且优选地，进水口的直径朝外端逐渐增加。

“截锥体”指的是锥体被平行于底部的平面切割，顶部被拿掉所剩下的任何结构。进水口和截锥体都允许水流过并将水引导至发电单元。有利地，这增加了水流进涡轮和流向发电单元的螺旋桨的面积。该构造可以增加水的质量流速。水的速度越高，螺旋桨将旋转得越快。这从而增加了涡轮机的发电量。

优选地，其中进水口和截锥体是文丘里形的。

“文丘里”的含义包括在任意流体的路径中具有收缩的喉部，从而由于流体在给定方向上移动而导致压降的任意结构或装置。

优选地，进水口和截锥体包括引导部，用于引导水流向叶片组件。

优选地，所述两个螺旋桨绕轴线在相反的方向上旋转。有利地，这使得给定的尺寸的涡轮具有双倍的电力输出。

优选地，壳体还包括具有喇叭形端部的出水口。

优选地，壳体还包括用于在水进入发电单元之前将空气引入到水中的进气口。

有利地，本发明的涡轮机相对于其能够产生的电力输出在尺寸上更小。这是由于存在两个进水口和在相反方向上旋转的两个螺旋桨。不具有这些特征的涡轮机具有近似三倍大的尺寸，因此在很多江河系统中可能是无法应用的或不可移动的。

本发明的第二个方面，提供一种使用根据本发明的第一方面的涡轮机来发电的方法。

附图说明

为了可以充分理解本发明且易于本发明的实际实施，现在将通过本发明的仅仅为优选实施例的非限制性实施例接合附图进行说明。

其中：

图1是根据本发明实施例的涡轮机的截面图；并且

图2是图1的透视图。

具体实施方式

参考附图，图1示出了用于在水体中运行以产生能量和电力的涡轮机10。

涡轮机10包括壳体15，壳体15具有进水口(inlet)20和出水口(outlet)25。发电单元25容纳在该壳体中并位于进水口20和出水口25中间。进水口20具有离发电单元25最远的喇叭形外端。发电单元25具有响应于水流而绕轴线旋转的至少两个螺旋桨30、40。该水流由图1所示的箭头表示。进水口20接收水并将水引导到发电单元25的螺旋桨30、40。然后，水在出水口25处离开涡轮机并流出。

在本发明的示例性实施例中，截锥体22设置在进水口20内。截锥体22的喇叭形部分从进水口20中突出。进水口20和截锥体22都将水接收到涡轮机中(如箭头所示)并且，如图所示，它们可以是文丘里形的。从这些图中可以看出，离发电单元25最远的端部比离发电单元25较近的端部要宽。换句话说，进水口20和截锥体22在离发电单元25较近处具有收缩的喉部，这使得进入涡轮机10中的水的压力减小。在这些图中，压力差由“+”(高压)和“-”(低压)表示。当水进入进水口20和截锥体22时，沿着(across)进水口20和截锥体22的长度产生压降。在与涡轮机10的进口相比更靠近发电单元25的位置处，出现低压力“-”，其效果是大大增加涡轮机10的质量流量，并且增大了流速。换句话说，该压力差允许更多的水被更快地吸入涡轮机10中以使发电单元25的螺旋桨30、40转动，即，它加速了水经过涡轮机10的的流动。

由于进水口的目的是增加水的质量流量，所以进水口20和截锥体22都具有光滑的内表面以减小阻力。典型的结构材料是铸钢或钢制板。

进水口20和截锥体22还可以被称为管嘴(nozzle)。这些管嘴的形状在涡轮机10后方产生低压的补充气压(sub atmosphere)，从而允许涡轮机10以更高的效率运行，所述效率典型地比贝兹极限(59.3％)更高，比能够在自由流或开放流中使用同直径的涡轮机10的效率更高。

有利的是，本发明的这种布置结构允许水经由进水口20进入涡轮机10，并且截锥体22增加了水的质量流量。这意味着：涡轮机10具有更高的效率，它是在开放流动条件下的同样涡轮机(不带有喇叭形外端的进水口和截锥体)的功率的3-4倍。接近100％的效率是可能的，这是因为进水口有效促进了从等于进水口尺寸而不是涡轮机尺寸的水横截面的能量的获取。其尺寸与管道开口的直径相同的涡轮机将产生类似量的电力。

进水口20和截锥体22可包括引导部35，用于将水引导至发电单元25。

关于发电单元25，螺旋桨30、40可以是彼此反向旋转的螺旋桨。这意味着该两个螺旋桨30、40绕同一轴线在两个相反方向上旋转。这些螺旋桨30、40允许在水流条件下可用的最大能量的回收。通常，两个螺旋桨30、40布置成一个在另一个后方，并且动能被以旋转方式转化至涡轮机10。螺旋桨30、40可彼此靠近地布置，或者彼此间隔开适合产生所需能量的距离。螺旋桨30、40可以彼此尽可能近地布置，以便水流下游的第二螺旋桨40能够从第一螺旋桨30获得旋转能量。螺旋桨30、40之间的距离取决于定子的长度，因此应该尽可能短。如果螺旋桨30、40彼此隔开很远，则旋转能量将受到损失。

以高的水质量流过双螺旋桨发电单元25的水导致旋转的叶片产生大量的切向或旋转的水流。该切向水流的能量在单螺旋桨涡轮机设计中被浪费了。本发明的涡轮机10通过将第二螺旋桨40放置在第一螺旋桨30后方来使用这些被浪费的能量，第一螺旋桨30利用了扰动的水流。

有利地，此发电单元25将不具有旋转水流，从而产生最大量的均匀通过螺旋桨盘的水，导致高的性能和所引起的低的能量损失。优选地，两个螺旋桨30、40可以具有不同数目的叶片(例如，前面的螺旋桨具有4个叶片，后面的具有5个叶片)。

彼此反向旋转的所述螺旋桨在正常运行条件下允许最大的功率和效率，并且还能够在不需要满功率或有维护需求的时段内、当其中一个螺旋桨不工作时，仅运行所述螺旋桨中的另一个。

螺旋桨可以使用用于涡轮机的开普兰式(Kaplan)螺旋桨，其用作向心式反作用涡轮，这意味着随着工作流体移动通过涡轮，工作流体改变压力，并释放能量。

马达组件45设置在该两个螺旋桨30、40之间。每个螺旋桨均可以具有其自己的马达，并包括与每个螺旋桨相关联的定子部分、转子部分、驱动轴、支撑轴承和密封组件。该两个螺旋桨30、40可以彼此独立地工作。例如，每个螺旋桨单元均可以有大约100kW的输出。因此，在本发明的双螺旋桨涡轮机中，所产生的总电量翻倍了(例如200kW)。功率输出可根据螺旋桨的尺寸、并因此根据涡轮机的尺寸而变化。为了从旋转的螺旋桨中产生能量，马达组件45结合了交流发电机或直流发电机。为了最小化总重量和尺寸，可使用永磁体马达。这些马达使用由钕或本领域技术人员公知的其它基本元素制成的高能磁铁。由于具有高的磁通密度，具有高能永久磁铁的电机至少与所有最优设计的单反馈同步和感应电机相当。涡轮机10产生DC电压，该DC电压可被馈送并连接到VFD(可变频率驱动)控制器。VFD控制器将DC电转变为AC电，并且还调整电压和频率。这确保涡轮机10向电网供给恒定频率的电力，使得这样的输出随后可以连接到电网。

水在出水口25处流出涡轮机10的壳体15。出水口25的离发电单元25最远的端部是喇叭形的。该出水口25是特别成形的引流管，它有助于使水减速并重新获得额外的动能。该喇叭形端部还允许水流在再次进入水体之前减速，以最小化对水体的岸部或底部的任何潜在破坏。

涡轮机10还包括进气口(inlet)50，用于在水进入发电单元25之前将空气引入到该水中。这允许水在重新回到水体时充满气体。这种充满气体的水对可能存在于水体中的生物是有益的。

有利地，可以用缆索将涡轮机10固定在岸边或大陆上，在那里涡轮机可被连入电网，或能够缩小尺寸以向大型民用基础设施不可用的遥远村落提供电量。其可以漂浮在浮筒下，或者固定到海床/河床。如果涡轮机10设置成高和低潮汐之间的高度(或顶端)的不同可被用来驱动发电单元25，则本发明可以用于提取“势能”。涡轮机10的尺寸可根据所要求的电力输出需求而变化。

前面的说明书中已经描述了本发明的优选实施例，而本领域技术人员可以理解的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出涉及设计或结构的细节的多种变型或改型。

Claims (8)

1.一种用于在水体中运行以发电的涡轮机，所述涡轮机包括：

(a)壳体，所述壳体具有用于接收水的进水口和用于允许水离开的出水口；和

(b)发电单元，所述发电单元设置在所述壳体中并位于所述进水口和所述出水口中间，所述发电单元包括响应于水流而绕轴线旋转的两个螺旋桨，

其中，所述进水口包括：喇叭形外端，所述喇叭形外端用于朝向所述发电单元引导水；和截锥体，所述截锥体设置在所述进水口的喇叭形外端内，所述截锥体的喇叭形部分从所述进水口中突出。

2.根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述进水口和所述截锥体是文丘里形的。

3.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机，其中，所述进水口和所述截锥体包括引导部，用于将水引导至叶片组件。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机，其中，所述两个螺旋桨绕所述轴线在两个相反方向上旋转。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机，其中，所述出水口包括喇叭形外端。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的涡轮机，其中，所述壳体还包括用于在水进入所述发电单元之前将空气引入到水中的进气口。

7.一种涡轮机，基本如参考附图在此描述的涡轮机。

8.一种使用根据权利要求1至7中的任一项所述的涡轮机来发电的方法。