本發(fā)明涉及水電設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及一種一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機。

背景技術(shù)：

水輪發(fā)電裝置按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機兩大類。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。

沖擊式水輪機，由于其工作輪僅部分過水，部分水斗受力，故該類水輪機所需流量較小，比較適合小流量高水頭的發(fā)電場所。沖擊式水輪機，按水流的流向可分為切擊式(又稱水斗式)和斜擊式兩類，在等徑水輪條件下，切擊式的受力力臂相對斜擊式較大，但運行水輪轉(zhuǎn)速相對較小。

反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉，軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機中，水流沿軸向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的；轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)水頭和負荷的變化。當前使用較為廣泛的主要是軸流式和混流式水輪機。

現(xiàn)有的水輪機普遍所存在的問題是：1）水輪機的葉輪與發(fā)電機和勵磁電機需通過較長的傳動軸傳動，而一般情況下，為了便于傳動軸的安裝更換，傳動軸連接處會采用法蘭連接，同時為了維持傳動軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動，避免偏心轉(zhuǎn)動，會在轉(zhuǎn)軸的連接處以及中部設(shè)置多個軸承，軸承的增多會加大轉(zhuǎn)動過程中的摩擦耗能，軸承容易因摩擦升溫燒壞，且較長傳動軸出現(xiàn)偏心轉(zhuǎn)動時，容易導(dǎo)致對發(fā)電機造成損壞；2）現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置的發(fā)電機和勵磁機在工作中會產(chǎn)生大量的廢熱（主要由導(dǎo)線中強電流產(chǎn)熱、及軸承轉(zhuǎn)動摩擦產(chǎn)熱），需要安裝專用的散熱、冷卻系統(tǒng)，當散熱、冷卻系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，容易導(dǎo)致機芯、軸承燒壞，而且即使在冷卻系統(tǒng)正常工作下，由于定子和轉(zhuǎn)子呈內(nèi)、外層分布，位于內(nèi)層的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的廢熱需通過定子與轉(zhuǎn)子的隔空間隙層傳導(dǎo)到外界，隔空間隙層的導(dǎo)熱速率小，內(nèi)層轉(zhuǎn)子與外層定子存在較大的溫差，內(nèi)層轉(zhuǎn)子容易燒毀；3）現(xiàn)有水輪機，由于在水流能量利用上存在較大的水流動能余留和摩擦產(chǎn)熱損耗，水流能量的利用率相對較低，現(xiàn)階段，軸流式水輪機的較高穩(wěn)定效率僅為90%；4）現(xiàn)有的每組水輪發(fā)電機均是針對不同地形的定制機，造成原材料、組件、線材和零部件不能夠通用，不能夠批量生產(chǎn)；5）由于水輪發(fā)電機中的定子、轉(zhuǎn)子、凸極、傳動軸等部件需要承受較高的溫度或較大的受力，其定子、轉(zhuǎn)子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高；6）勵磁繞組的磁極僅能利用其中一磁極，勵磁效率較低，勵磁能耗較大。上述因素給電站的建設(shè)造成了較大的投入成本與生產(chǎn)管理成本，且電站生產(chǎn)產(chǎn)能相對較低，部分小型可利用水能資源被浪費。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題為：1）現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置中傳動軸和軸承由于受力較大、摩擦產(chǎn)溫較高，其損耗較大；2）現(xiàn)有水輪發(fā)電裝置的發(fā)電機和勵磁機在工作中會產(chǎn)生大量的廢熱，需要安裝專用的冷卻系統(tǒng)，且其冷卻系統(tǒng)的冷卻效果欠佳，容易燒毀機芯；3）現(xiàn)有水輪機的較高穩(wěn)定效率僅在90%左右；4）現(xiàn)有的水輪發(fā)電機均是針對不同地形的定制機，體積存在較大差異，不能夠批量生產(chǎn)；5）水輪發(fā)電機中的定子、轉(zhuǎn)子、凸極、傳動軸等部件對材料強度要求高；6）勵磁繞組的勵磁效率低。

為解決其技術(shù)問題本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機，包括第一電樞機構(gòu)、第二電樞機構(gòu)、勵磁機構(gòu)、密封罩體機構(gòu)、尾水管、導(dǎo)葉機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和蝸殼；蝸殼、導(dǎo)葉機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪和尾水管依次構(gòu)成水流通道；

密封罩體機構(gòu)包括旋轉(zhuǎn)罩和固定罩，旋轉(zhuǎn)罩與固定罩同軸通過密封軸承連接構(gòu)成封閉的環(huán)形空腔；

第一電樞機構(gòu)、勵磁機構(gòu)和第二電樞機構(gòu)依次同軸上、中、下層并列安裝在環(huán)形空腔內(nèi)；

勵磁機構(gòu)安裝在旋轉(zhuǎn)罩內(nèi)中部，第一電樞機構(gòu)安裝在固定罩內(nèi)上部，第二電樞機構(gòu)安裝在固定罩內(nèi)下部；

第一電樞機構(gòu)包括第一電樞繞組和第二電樞繞組，第一電樞繞組和第二電樞繞組同軸內(nèi)、外層環(huán)形分布在固定罩內(nèi)上部；

第二電樞機構(gòu)包括第三電樞繞組和第四電樞繞組，第三電樞繞組和第四電樞繞組同軸內(nèi)、外層環(huán)形分布在固定罩內(nèi)下部；

勵磁機構(gòu)包括第一勵磁繞組和第二勵磁繞組，第一勵磁繞組與第二勵磁繞組同軸內(nèi)、外層環(huán)形分布在旋轉(zhuǎn)罩內(nèi)中部；

轉(zhuǎn)輪的下環(huán)外圓周固定連接旋轉(zhuǎn)罩內(nèi)圓周，固定罩固定安裝在尾水管上端部；

作為進一步優(yōu)化說明，所述旋轉(zhuǎn)罩與固定罩的連接間隙處設(shè)置有導(dǎo)電刷，導(dǎo)電刷用于勵磁電流的輸入。

作為進一步優(yōu)化，所述尾水管和導(dǎo)葉機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)罩的間隙部位設(shè)置陶瓷密封軸承；該種結(jié)構(gòu)可提高環(huán)形空腔的密封性，改善密封軸承的工作環(huán)境，減小密封軸承的受力負荷，減小固定罩與旋轉(zhuǎn)罩的摩擦。

作為進一步優(yōu)化，為了具有更好的防水性能，所述旋轉(zhuǎn)罩與固定罩邊角連接處設(shè)置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)，折形離心甩水邊環(huán)的間隙口沿徑向朝外。

作為進一步優(yōu)化，為了更好的增強折形離心甩水邊環(huán)的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)。

工作原理：該發(fā)明所述一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機，工作時，水流經(jīng)過導(dǎo)葉機構(gòu)的引導(dǎo)與控制，流入轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪在水流壓力的驅(qū)動下帶動旋轉(zhuǎn)罩共同轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)罩帶動第一勵磁繞組和第二勵磁繞組轉(zhuǎn)動，第一勵磁繞組和第二勵磁繞組的上端磁極分別切割第一電樞繞組和第二電樞繞組的線圈、第一勵磁繞組和第二勵磁繞組的下端磁極分別切割第三電樞繞組和第四電樞繞組，第一電樞繞組和第三電樞繞組的電流用于勵磁供電，第二電樞繞組和第四電樞繞組用于輸出。

本發(fā)明所述的一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機，由于其第一電樞機構(gòu)和勵磁機構(gòu)直接通過密封罩體機構(gòu)安裝在尾水管和轉(zhuǎn)輪之間，發(fā)電工作過程產(chǎn)生的廢熱可直接通過旋轉(zhuǎn)罩與固定罩散熱到水流中，有效的省去了專門的冷確散熱系統(tǒng)。而且，本發(fā)明所述的一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機，相對于常規(guī)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)模式，其熱量傳導(dǎo)無需通過轉(zhuǎn)子與定子間的隔空層，其第一電樞機構(gòu)和勵磁機構(gòu)廢熱可直接散熱到水流中，相比現(xiàn)有的發(fā)電機散熱方式，具有更好的散熱效果，能有效避免燒毀機芯的問題，增長設(shè)備的使用壽命。

此外，由于發(fā)電勵磁繞組的兩個磁極的磁通量均被利用于切割發(fā)電機電樞繞組，在同等勵磁電流下，勵磁效率相對傳統(tǒng)勵磁方式提高一倍

有益效果：本發(fā)明所述的一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機，有效的省去了常規(guī)的冷確散熱系統(tǒng)，具有更好的散熱效果，能有效避免燒毀機芯的問題，增長設(shè)備的使用壽命；同時，由于第一電樞機構(gòu)、勵磁機構(gòu)與轉(zhuǎn)輪的一體化，動力傳動無需通過傳動軸部件傳動，本發(fā)明所述的一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機能有效的避免傳動軸偏心問題和軸承摩擦耗能問題，簡化水輪發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，降低材料要求，較大程度地縮小設(shè)備體積，增強設(shè)備的通用性，減少電站建設(shè)成本與生產(chǎn)管理成本。

此外，本發(fā)明所述的一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機具有較高的傳動效率，其水輪機發(fā)電機的穩(wěn)定效率可達93%以上，且勵磁效率高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明方案一的垂直剖視視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明方案一的勵磁機構(gòu)水平剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明方案一的第一電樞機構(gòu)水平剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明方案一的第二電樞機構(gòu)水平剖視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明方案二的垂直剖視視結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明方案二中折形離心甩水邊環(huán)結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖7為本發(fā)明方案三中折形離心甩水邊環(huán)結(jié)構(gòu)放大示意圖；

圖中：1a為第一電樞機構(gòu)、11a為第一電樞繞組、12a為第二電樞繞組、1b為第二電樞機構(gòu)、11b為第三電樞繞組、12b為第四電樞繞組、2為勵磁機構(gòu)、21為第一勵磁繞組、22為第二勵磁繞組、3為密封罩體機構(gòu)、31為旋轉(zhuǎn)罩、32為固定罩、33為密封軸承、34為環(huán)形空腔、35為陶瓷密封軸承、36為折形離心甩水邊環(huán)、37為樹脂耐磨環(huán)、4為尾水管、5為導(dǎo)葉機構(gòu)、6為轉(zhuǎn)輪、7為蝸殼、8為導(dǎo)電刷。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述；顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

方案一（如圖1、圖2、圖3和圖4所示）：一種一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機，包括第一電樞機構(gòu)1a、第二電樞機構(gòu)1b、勵磁機構(gòu)2、密封罩體機構(gòu)3、尾水管4、導(dǎo)葉機構(gòu)5、轉(zhuǎn)輪6和蝸殼7；蝸殼7、導(dǎo)葉機構(gòu)5、轉(zhuǎn)輪6和尾水管4依次構(gòu)成水流通道；

密封罩體機構(gòu)3包括旋轉(zhuǎn)罩31和固定罩32，旋轉(zhuǎn)罩31與固定罩32同軸通過密封軸承33連接構(gòu)成封閉的環(huán)形空腔34；

第一電樞機構(gòu)1a、勵磁機構(gòu)2和第二電樞機構(gòu)1b依次同軸上、中、下層并列安裝在環(huán)形空腔34內(nèi)；

勵磁機構(gòu)2安裝在旋轉(zhuǎn)罩31內(nèi)中部，第一電樞機構(gòu)1a安裝在固定罩32內(nèi)上部，第二電樞機構(gòu)1b安裝在固定罩32內(nèi)下部；

第一電樞機構(gòu)1a包括第一電樞繞組11a和第二電樞繞組12a，第一電樞繞組11a和第二電樞繞組12a同軸內(nèi)、外層環(huán)形分布在固定罩32內(nèi)上部；

第二電樞機構(gòu)1b包括第三電樞繞組11b和第四電樞繞組12b，第三電樞繞組11b和第四電樞繞組12b同軸內(nèi)、外層環(huán)形分布在固定罩32內(nèi)下部；

勵磁機構(gòu)2包括第一勵磁繞組21和第二勵磁繞組22，第一勵磁繞組21與第二勵磁繞組22同軸內(nèi)、外層環(huán)形分布在旋轉(zhuǎn)罩31內(nèi)中部；

轉(zhuǎn)輪6的下環(huán)外圓周固定連接旋轉(zhuǎn)罩31內(nèi)圓周，固定罩32固定安裝在尾水管4上端部；

旋轉(zhuǎn)罩32與固定罩33的連接間隙處設(shè)置有導(dǎo)電刷8，導(dǎo)電刷8用于導(dǎo)電連接外界整流設(shè)備與勵磁機構(gòu)2。

作為進一步說明，為了減小旋轉(zhuǎn)罩32受到的摩擦，同時提高其密封性，所述導(dǎo)葉機構(gòu)5與旋轉(zhuǎn)罩32的間隙部位設(shè)置陶瓷密封軸承35。

通過上述方案一實施方式，所述一體化平裝高效勵磁混流式水輪發(fā)電機的穩(wěn)定效率可達93%，相比傳統(tǒng)的軸流式水輪發(fā)電機，效率提高4%左右。

方案二（如圖5和圖6所示）：與方案一不同之處在于：為了具有更好的防水性能，所述旋轉(zhuǎn)罩32與固定罩33連接邊角處設(shè)置有相互配合的折形離心甩水邊環(huán)36，折形離心甩水邊環(huán)36的間隙口沿徑向朝外。

方案三（如圖7所示）：與方案一不同之處在于：為了更好的增強折形離心甩水邊環(huán)36的甩水效果和耐磨性，所述折形離心甩水邊環(huán)36內(nèi)還安裝有樹脂耐磨環(huán)37。

最后應(yīng)說明的是：以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。