專利名稱：具有浮力腔的浸沒式水電渦輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及利用水的流動產(chǎn)生電力的渦輪機或發(fā)電裝 置的領域，無i侖流動是單向的(諸如流向河流或洋流中)還是雙向 的(諸如潮汐流)，更具體地，本發(fā)明涉及這樣的裝置，其中流體 流引起大螺旋槳型的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，該大螺旋槳型的轉(zhuǎn)子具有設置在大
環(huán)形殼體內(nèi)的環(huán)形外輪緣(rim)。還更具體地，本發(fā)明涉及這樣的 裝置，其中渦輪機浸沒在水體中。
背景技術：
用水電渦輪機來產(chǎn)生電力是公知的。典型地，渦輪機安裝在壩 上，以便受控的流體流引起螺旋槳型的轉(zhuǎn)子或葉片轉(zhuǎn)動。這樣相對 快速的水流條件已知為高水頭(highhead)條件。還已知將渦4侖才幾 設置在低水頭條件下，諸如海灣中、河口或近海的潮汐流所產(chǎn)生的。
雖然大多數(shù)渦輪機被構造成具有其上安裝有葉片或葉輪的中 心萬走4爭軸，Y旦還已^口制造出中心開口 ( open-centered )的渦專侖才幾， 也就是已知的裝有輪緣(rim-mounted)的渦輪才幾。具有中心開口的 轉(zhuǎn)子、其中葉片安裝在內(nèi)環(huán)形圈或輪緣與外環(huán)形圈或輪緣之間并且 其中能量經(jīng)外輪緣傳遞到保持轉(zhuǎn)子的環(huán)形殼體的渦輪機在低水頭 條件下(即，更緩慢的水流中)是尤其成功的。
中心開口 、裝有4侖纟彖的渦輪^幾的實例可以在以下各項中看到 1997年1月14日7^布的第5,592,816號美國專利，該專利于2003年12月2日作為RE38,336再次公布；2003年11月18日公布的第 6,648,589號美國專利；2004年5月4日^>布的第6,729,840號美國 專利；以及2005年2月10日公開的美國專利公開US2005/0031442 (序列號10/633,865 )。用于低水頭(潮沙流)條件下的水電渦4侖才幾 的實例可以在以下各項中看到Heuss等的第4，421 ，990號美國專利； Vauthier的第6,168,373號和第6,406,251號美國專利；Susman等的 第GB 2,408,294號英國專利申請；以及Davis等的世界知識產(chǎn)權組 織國際/>開WO 03/025385。
流體驅(qū)動的渦，侖才幾纟皮一見為是<吏用化石燃料或原子能的發(fā)電裝 置的環(huán)保替代物。在利用風或水大規(guī)模地產(chǎn)生電力而能夠為大工業(yè) 中心、鎮(zhèn)區(qū)、城市等供電時，需要設置大量的渦輪機，并且要求渦 輪機盡可能得大，以使每臺渦輪機產(chǎn)生的電量最大化。這些渦輪機 的轉(zhuǎn)子葉片的長度達到數(shù)米，通過一些實驗設計得知葉片的長度超 過50米。
隨著轉(zhuǎn)子葉片的長度增加，出現(xiàn)了在較小的渦輪機或發(fā)電機中 沒遇到過的結構和制造上的4兆戰(zhàn)。對于裝有軸的渦4侖才幾來i兌，難于 設置既堅固又輕便的長葉片。裝有輪緣的渦輪機為該問題提供了解 決方案，其通過保持在具有環(huán)形狹槽或通道的殼體內(nèi)的外支撐輪緣 來為葉片的每端提供環(huán)形支撐。為了產(chǎn)生電力，沿環(huán)形支撐輪緣間 隔有多個磁體，并且沿定子殼體內(nèi)的接收通道間隔有多個線圈。由
轉(zhuǎn)子f茲場系統(tǒng)所建立的》茲場穿過隔開轉(zhuǎn)子與定子的間隙。轉(zhuǎn)子的旋 轉(zhuǎn)引起與線圏相關的磁通量改變，包括線圏中的電磁力。
在裝有輪緣的渦輪機中，轉(zhuǎn)子重量由殼體的下半部承受，因為 沒有中心支撐軸或軸桿。對于大渦輪機來說，對于轉(zhuǎn)子在殼體內(nèi)的 初始起動以及一旦旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)后渦輪機的總效率，該負載和所產(chǎn)生的 摩擦作用可能是顯著的。增加轉(zhuǎn)子重量意味著增加旋轉(zhuǎn)阻力，意味著需要更大的流體流來克服固有的慣性和摩擦。對于用在低水頭條 件下的水電渦輪機，這尤其是個問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為水電渦輪機提供一種改進的結構，其中轉(zhuǎn)子 的重量減輕，以使轉(zhuǎn)子有浮力。本發(fā)明的另一目的是提供這樣的渦
輪機，其中重量減輕通過在轉(zhuǎn)子中設置浮力腔(buoyant chamber ) 來實現(xiàn)，從而對于浸沒在水中的渦輪機來說，轉(zhuǎn)子的大重量所導致 的消極重力效應通過增加的轉(zhuǎn)子浮力而減小或4氐消。
本發(fā)明是一種改進的流體驅(qū)動型渦輪機，其中轉(zhuǎn)子葉片由外輪 緣支撐，且外輪緣保持在殼體內(nèi)或由殼體保持，該殼體具有接收外 輪緣的通道。在典型結構中，渦輪機是發(fā)電機，其中磁體設置在轉(zhuǎn) 子外輪緣上，并且線圈設置在殼體或定子通道中，以使轉(zhuǎn)子在定子 內(nèi)的轉(zhuǎn)動產(chǎn)生電力。具體地，渦輪機是浸沒在水體中的這類渦輪機。
改進包括在殼體內(nèi)i殳置浮力轉(zhuǎn)子。在優(yōu)選實施例中，渦輪機的 轉(zhuǎn)子設有位于環(huán)形外4侖*彖和/或內(nèi)專侖*彖和/或葉片中的一個或多個浮 力腔，以使轉(zhuǎn)子的總重量減輕，并且還使得轉(zhuǎn)子的浮力增加。該腔 可填充有空氣、其他氣體、液體、泡沫、固體或者4壬何比重為1或 更小的材料。浮力腔可填充有聚合物泡沫，以增加轉(zhuǎn)子的結構完整 性禾口剛'性。


圖l是代表性的中心開口、裝有輪緣的渦輪機的視圖，如從軸 向透視圖中所看到的那樣，其包括具有外輪緣的轉(zhuǎn)子以及具有用于 接收轉(zhuǎn)子外輪緣的通道的定子殼體。圖2是定子殼體的透視圖。 圖3是轉(zhuǎn)子的透視圖。
圖4是轉(zhuǎn)子環(huán)形外輪緣的局部橫截面視圖。 圖5是定子殼體的局部橫截面視圖。 圖6是轉(zhuǎn)子環(huán)形內(nèi)輪緣的局部橫截面視圖。
具體實施例方式
下面將參考附圖針對最佳模式和優(yōu)選實施例詳細描述本發(fā)明。 在最一般意義上，本發(fā)明為浸沒在水體中的這類水電渦輪機，該渦 輪機包括安裝在定子殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有由定子殼體中的環(huán) 形通道或狹槽接收并保持的環(huán)形外輪緣，其中轉(zhuǎn)子被構造成是有浮 力的。所示發(fā)電才幾裝置包括設置在轉(zhuǎn)子環(huán)形4侖緣上的多個,茲體和設 置在定子殼體內(nèi)部上(優(yōu)選地位于接收轉(zhuǎn)子環(huán)形輪緣的通道內(nèi))的 多個線圈的組合，但也可以使用其他發(fā)電機裝置。出于說明的目的， 圖中渦輪機被示出為中心開口、裝有輪緣的轉(zhuǎn)子，因此轉(zhuǎn)子的所有 支撐由定子殼體提供，但應該理解的是，本發(fā)明也可應用于具有安
裝有軸的轉(zhuǎn)子且該轉(zhuǎn)子具有環(huán)形外4侖緣的渦4侖才幾。如本文中所4吏用 的，術語"有浮力的，，旨在表示所述構件不會沉沒到該構件浸沒在 其中的這類水中，無論是淡水還是海水。本文中所涉及的對"浮力" 的科學定義為具有小于或等于l的比重，應該^皮一見為包括該范圍的 延伸，以解釋水的密度不同于純水的密度的情形。
如圖1到圖3中大體所示，本發(fā)明是渦輪機或發(fā)電裝置10，其 包括大致為環(huán)形的定子殼體30。所示殼體30的形狀不是限制性的， 其他形狀也是可能的，只要殼體30實現(xiàn)保持旋轉(zhuǎn)組件或轉(zhuǎn)子20不 在軸向方向上^L不期望的運動，并允許轉(zhuǎn)子20繞旋轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)。殼體30包括一對保持法蘭31，這對法蘭限定出接收并保持轉(zhuǎn)子20 的通道32。
旋轉(zhuǎn)組件或轉(zhuǎn)子20包括內(nèi)環(huán)形4侖緣件23和外環(huán)形4侖緣件22。 內(nèi)輪緣23與外輪緣22之間延伸有多個螺旋槳、葉輪或葉片件21 ， 葉片21以/^知的方式成一角度或#皮4丑曲，以"f吏流體沿4由線方向并 穿過定子殼體30的運動導致轉(zhuǎn)子20旋轉(zhuǎn)。葉片21的具體凄t量、 形狀和材料成分可以改變，但優(yōu)選地，在不過度犧牲結構完整性的 前提下，葉片21被構造得盡可能得輕。
組合的殼體30和轉(zhuǎn)子20限定出用于產(chǎn)生電力的發(fā)電機裝置。 這可以通過圍繞外輪緣22的外圓周設置多個磁體41并且圍繞殼體 30或殼體通道32的內(nèi)圓周表面34設置多個線圏42來實現(xiàn)，從而 使殼體30成為發(fā)電機的定子。轉(zhuǎn)子20穿過磁體41跨過線圈42旋 專爭，并以7厶^r的方式產(chǎn)生電力。
由于渦4侖才幾10的大尺寸，因此希望以相對輕4旦在結構上仍然 堅固的材料來構造。為此，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)適于使用聚合物、環(huán)氧樹脂、 樹脂、加強纖維等作為轉(zhuǎn)子20和殼體30的主要結構成分來構造渦 輪機。典型地，轉(zhuǎn)子20主要由上述輕型材料構造，以使磁體41和 其他構件能夠嵌入其中。轉(zhuǎn)子20 ^皮構造成當浸沒在水中時是有浮 力的。
在一個實施例中，轉(zhuǎn)子20中i殳有一個或多個浮力腔60，諸如 設置在外環(huán)形4侖緣22內(nèi)，如圖4中所示。在優(yōu)選實施例中，單個 環(huán)形腔60完全圍繞外環(huán)形輪緣22延伸，但也可以使用成并排或首 尾相連關系的多個腔60。如果使用多個腔，則它們繞周向均纟釺地布 置，以使轉(zhuǎn)子20的旋轉(zhuǎn)不會受到不利的影響。浮力腔60內(nèi)可以設 有結構件(未示出)，諸如支撐件等，以增加環(huán)形外輪緣22的剛性。 浮力腔60可填充有空氣或其他氣體、液體或輕型剛性件或比重為1或更小的材料，但最優(yōu)選地，腔60填充有具有積極結構特征的浮 力材料61，諸如聚合物泡沫。聚合物泡沫(諸如聚亞安酯)被預形 成并一皮置于月空60內(nèi)或者^皮注入到浮力月空60內(nèi)，并且如果注入到浮 力腔60內(nèi)是優(yōu)選的，則聚合物泡沫應是在固化后會粘附到腔60的 內(nèi)表面的這類聚合物泡沫。泡沫的剛性及其與浮力腔60的壁的粘 接界面增加了轉(zhuǎn)子20的總剛性和結構完整性。選4奪浮力腔60的尺 寸和特定的浮力材料61,以影響特定情況下所希望的浮力程度。例 如，在某些情況下，〗又希望減輕轉(zhuǎn)子20,而在其他情況下，優(yōu)選地， 將轉(zhuǎn)子20的重量減輕到浮力處于中立的點，而在另一些情形中， 優(yōu)選地，將轉(zhuǎn)子20的重量減輕到轉(zhuǎn)子相對于水具有正浮力的點， 以^吏其漂浮在定子通道32上方，并且在通道32的上部上沒有出現(xiàn) 任何摩擦作用。
可替換地，或者除了在環(huán)形外輪^彖22中i殳有浮力腔60以外， 浮力腔60可以設置在環(huán)形內(nèi)輪緣23和/或葉片21內(nèi)，如圖6中所 示。如上所述，環(huán)形內(nèi)4侖鄉(xiāng)彖23和葉片21的浮力腔60可以填充有 空氣或其他氣體、液體或輕型剛性件或比重為1或更小的材料，但 最優(yōu)選地，腔體60填充有具有積極結構特征的浮力材料61，諸如
聚合物泡沫。
這樣，由轉(zhuǎn)子20的顯著重量所導致的在轉(zhuǎn)子20與定子殼體30 之間出現(xiàn)的消極摩擦作用被減小或消除了 ，從而使初始起動更容易 地實現(xiàn)，并且4是高了旋轉(zhuǎn)效率。
在某些情況下，還希望減輕定子殼體30的重量，諸如希望是 漂浮式渦輪機時。如圖5中所示，定子殼體30內(nèi)可以設有一個或 多個浮力腔60,浮力腔60填充有浮力填充材^)"61，諸如現(xiàn)場固化 的聚合物泡沫或任4可其他上述材并牛，且優(yōu)選地是為殼體60 4是供剛 性和結構完整性的材料。因為定子殼體30是渦輪機10的靜止件，故浮力腔60最優(yōu)選地設置在定子殼體30的頂部中，以增加渦輪4幾 10在水中的穩(wěn)、定寸生。
應該理解的是，對于本領域技術人員來說，上述某些件的等同 物和替代物是顯然的，因此本發(fā)明的真正范圍和限定由以下4又利要
求給出。
權利要求
1.一種浸沒在水中的流體驅(qū)動式渦輪機，所述渦輪機包括轉(zhuǎn)子；接收所述轉(zhuǎn)子的定子殼體；以及產(chǎn)生電力的發(fā)電機裝置，并且其中，所述轉(zhuǎn)子包括設置在葉片上的外輪緣，并且其中，所述外輪緣和/或所述葉片中設有一個或多個浮力腔。
2. 根據(jù)權利要求1所述的渦輪機，其中，所述轉(zhuǎn)子包括設置在所 述葉片上的內(nèi)輪緣，并且其中，所述一個或多個浮力腔設置在 所述內(nèi)輪緣中。
3. 才艮據(jù)片又利要求1或2所述的渦4侖4幾，還包括 沒置在所述一個或 多個浮力腔內(nèi)的浮力填充材料。
4. 才艮據(jù)權利要求3所述的渦4侖才幾，其中，所述浮力填充材料的比 重為1或更小。
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的渦輪機，其中，所述浮力填充材料 包括氣體，優(yōu)選地為空氣。
6. 根據(jù)權利要求3或4所述的渦輪機，其中，所述浮力填充材料 包括聚合物泡沫。1
7. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述一個或 多個浮力腔完全圍繞所述轉(zhuǎn)子延伸。
8. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的渦輪機，其中，所述一個或 多個浮力腔包括成并排關系的多個腔。
9. 根據(jù)前述權利要求中任一項所述的渦4侖才幾，其中，所述一個或 多個浮力腔包括成首尾相連關系的多個腔。
全文摘要
一種水電渦輪機，其具有設置在定子殼體內(nèi)的轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子具有由定子殼體內(nèi)的通道接收的環(huán)形外輪緣，改進包括浮力轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子優(yōu)選地具有設置在轉(zhuǎn)子內(nèi)的浮力腔。該浮力腔可設置在環(huán)形外輪緣、葉片或環(huán)形內(nèi)輪緣、或其組合內(nèi)。優(yōu)選地，浮力腔填充有比重為1或更小的材料，且最優(yōu)選地，該填充材料為增加了轉(zhuǎn)子的剛性的聚合物泡沫。
文檔編號F03B13/10GK101529086SQ200780026535
公開日2009年9月9日 申請日期2007年7月13日 優(yōu)先權日2006年7月14日
發(fā)明者赫伯特·威廉斯 申請人:歐鵬海德洛集團有限公司