包括定子、转子、转子的第一磁性轴承支架以及具有旋转元件的第二轴承支架的流体动力涡轮发电机

摘要

本发明提供一种流体动力涡轮发电机，所述流体动力涡轮发电机包括：定子(12)；转子(14)，所述转子(14)能够在流体流动的带动下围绕旋转轴(X)旋转；以及所述转子(14)的至少一个支撑轴承(20A、20B)，一个或每个所述第一轴承(20A、20B)包括连接到所述定子(12)的磁性定子元件(46A、46B)和连接到所述转子(14)的磁性转子元件(48A、48B)。此外，所述流体动力涡轮发电机还包括所述转子(14)的至少一个第二支撑轴承(22A、22B)，一个或每个所述第二轴承(22A、22B)包括至少一个滚动元件(50)。

说明书

技术领域

本发明涉及一种流体动力涡轮发电机，所述流体动力涡轮发电机 包括：

定子，

转子，所述转子能够通过流体流动围绕旋转轴旋转，

所述转子的至少一个第一轴承支架，一个或每个第一轴承包括单 组磁性定子元件以及单组磁性转子元件。

背景技术

根据文件US 7,190,087 B2，现有技术中已存在此类流体动力涡轮 发电机。所述流体动力涡轮发电机转子的一部分由磁性轴承支撑，所 述磁性轴承包括定子磁性元件和转子磁性元件，另一部分由位于转子 与定子之间的薄水层支撑。所述定子与转子之间的空间不与水流隔 离，相反，在流体动力涡轮发电机的运行过程中，薄水层沿旋转轴的 方向流出。

尽管如此，此类流体动力涡轮发电机只能在浸水时运行，这使得 制成之后的运行甚至正常运行测试极为复杂。

因此，本发明的目的在于提供一种使操作及正常运行测试更简便 的流体动力涡轮发电机。

发明内容

为此，本发明的目标是一种上述流体动力涡轮发电机，其特征在 于，所述流体动力涡轮发电机还包括至少所述转子的第二支撑轴承， 一个或每个第二轴承包括至少一个滚动元件。

除了本发明的其他优点之外，所述流体动力涡轮发电机包括一个 或多个以下特性，这些特性独自出现或者以所有可能的技术组合的形 式出现：

一个或每个第二轴承包括多个区段，每个区段包括至少一个滚动 元件，各第二轴承的区段围绕旋转轴接续布置，从而形成围绕旋转轴 旋转的环形；

每个区段能够独立于一个或多个各自的第二轴承的区段拆除；

一个或每个滚动元件以机械方式连接到一个零件，即所述定子或 所述转子，并且抵靠另一个零件，即所述定子或转子，优选情况下， 一个或每个滚动元件以机械方式连接到所述定子并且抵靠所述转子；

一个或每个第二轴承适用于支撑所述转子，同时沿着旋转轴的方 向以及垂直于所述旋转轴的方向延伸；

一个或每个滚动元件在围绕滚动轴旋转期间是活动的，所述滚动 轴布置在与旋转轴平行的纵向平面中，并且所述滚动轴相对于所述旋 转轴倾斜；

所述滚动轴与所述旋转轴之间的角度始终大于0°并且始终小于 90°，优选地介于30°与60°之间，更优选地约等于45°；

一个或每个滚动元件在围绕滚动轴旋转期间是活动的，所述一个 或每个元件呈锥形，并且所述滚动轴与所述旋转轴平行；

所述定子包括有源定子零件并且所述转子包括有源转子零件，大 致位于在垂直于旋转轴的径向上与有源定子零件相对的位置，所述有 源转子零件能够与所述有源定子零件一起工作，以便在转子围绕旋转 轴旋转期间产生磁场，并且至少一个第二轴承以及定子或转子中的一 个零件是止动表面，所述止动表面彼此相对并且能够在至少一个滚动 元件损坏时彼此接触，以便有源定子零件与有源转子零件之间的空气 间隙始终大于最小预定值；

所述流体动力涡轮发电机包括两个第一轴承，所述两个第一轴承 根据旋转轴彼此隔开；

所述流体动力涡轮发电机包括两个第二轴承，所述两个第二轴承 根据旋转轴彼此隔开；

所述定子包括有源定子零件并且所述转子包括有源转子零件，大 致位于垂直于旋转轴的径向上与所述有源定子零件相对的位置，所述 有源转子零件能够与所述有源定子零件一起工作，以便在转子围绕旋 转轴旋转时产生磁场，并且所述两个第一轴承和/或所述两个第二轴承 沿所述旋转轴分别位于所述有源定子零件和有源转子零件的一侧和 另一侧上；

一个或每个滚动元件是由以下项构成的群组中的元件：辊子、针 和小珠；以及

一个或每个第二轴承包括多个滚动元件，所述多个滚动元件置于 至少两个不同的行中，每行大致根据垂直于旋转轴的平面布置。

附图说明

参照附图阅读以下仅用于示例但不提出限制的说明之后，可以了 解本发明的这些特性和优点，在附图中：

图1是根据本发明的流体动力涡轮发电机的透视图，所述流体动 力涡轮发电机包括定子和转子，

图2是根据图1中的平面II的局部界面透视图，

图3是根据图1中的平面III的局部界面透视图，

图4是图3中的框区的放大图，以及

图5是图1中的流体动力涡轮发电机的转子的支撑轴承的一个区 段的极简示意图。

具体实施方式

在图1中，流体动力涡轮发电机10包括：定子12；活动转子14， 所述活动转子围绕纵轴X旋转，从后向前定向；流量喷嘴16；以及 定子的支架18。

流体动力涡轮发电机10还包括两个第一轴承20A、20B以及两个 第二轴承22A、22B，用于支撑转子14，如图2所示。

流体动力涡轮发电机10能够将沿纵轴X在流量喷嘴16内循环的 流体流中的动能转换成电能，其中所述流体流使转子14围绕X轴旋 转，并且使转子14相对于定子12旋转，从而产生电能。

例如，流体动力涡轮发电机10是用于利用海流中的动能的水下 涡轮机。或者，流体动力涡轮发电机用于浸没在水流中，以便将水流 中的液压能转换成电能。

定子12呈现围绕纵轴X旋转的环形形状。定子12包括有源定子 零件24。

在图2和图3所示的实例中，定子12包括主体25、用于固定流 量喷嘴的夹板26以及通向定子内部的可拆卸板28。夹板26通过使用 诸如螺钉等附接装置29连接到主体25。

转子14包括内环30、外环32和多个叶片34，所述多个叶片在 内环30与外环32之间沿垂直于旋转轴X的径向R延伸，如图1所示。 在所述的实施例中，转子14包括八个叶片32，这些叶片以一定角度 分布在内环30的外周上。两个相邻叶片34之间的角偏移约等于45°。

转子14还包括有源转子零件36，如图2所示，所述零件布置在 外环32的外周上并且能够与有源定子零件24一起工作，以便在转子 14在定子12内围绕X轴旋转时产生磁场，并且因此而产生电能。有 源转子零件36大致位于径向R上与有源定子零件24相对的位置。

流量喷嘴16包括两个半喷嘴38，这两个半喷嘴38沿纵轴X附 接到定子12的两侧上，如图1所示。流量喷嘴16呈现围绕纵轴X旋 转的环形形状，所述环形呈现椭圆形的横截面。在沿平行于X轴的纵 向平面延伸的截面中，每个半喷嘴38呈U形，所述U形的一端附接 到定子的主体25，而U形的另一端通过诸如螺钉等附接件40附接到 对应的夹板26，如图2所示。

支架18包括位于地面上的多个支撑销42以及与地面隔开的定子 的三个垂直支撑臂44。例如，支架18包括管状支架。

两个第一轴承20A、20B沿旋转轴X彼此隔开。第一轴承20A还 称为第一前轴承，而第一轴承20B还称为第一后轴承。

在图2和图3所示的实例中，所述两个第一轴承20A、20B沿旋 转轴X位于与有源定子零件24和有源转子零件36相对的位置处。

每个第一轴承20A、20B还包括与定子12相连的磁性定子元件 46A、46B以及与转子14相连的磁性转子磁铁48A、48B。形成第一 前轴承20A的磁性元件46A、48A也称为前磁性元件，而形成第一后 轴承20B的磁性元件46A、46B也称为后磁性元件。

例如，每个第一轴承20A、20B是无源磁性轴承。每个第一轴承 20A、20B包括永久磁铁。

两个第二轴承22A、22B沿旋转轴X彼此隔开。第二轴承22A还 称为第二前轴承，而第二轴承22B还称为第二后轴承。

在图2和图3所示的实例中，所述两个第二轴承22A、22B沿纵 轴X位于与有源定子零件24和有源转子零件36的两侧上。两个第二 轴承22A、22B优选地沿纵轴X位于第一轴承20A、20B的两侧上。

每个第二轴承22A、22B包括主体49和多个滚动元件50，这些 滚动元件围绕转子14的外周分布并且机械地附接到主体49。此外， 多个滚动元件50置于至少另个不同的行中，未图示，每行大致根据 垂直于旋转轴X的平面布置。

在上述实施例中，每个第二轴承22A、22B通过使用诸如螺钉等 附接装置51附接到定子12，例如，附接到其主体25，如图5所示。 附加地或替代地，每个第二轴承22A、22B附接到夹板26。

作为图示的替代，每个第二轴承22A、22B附接到转子14。

每个第二轴承22A、22B包括多个区段52，这些区段接续地布置 在纵轴X周围，从而形成围绕纵轴X旋转的环形。每个第二轴承22A、 22B的区段52的数量N介于8与64之间。

区段52的数量N优选地是沿径向R的流体动力涡轮发电机10 的直径的递增函数，以便限制每个区段52的大小和质量。换言之， 流体动力涡轮发电机10的直径越大，数量N越大。

此外，每个第二轴承22A、22B能够支撑转子14，同时沿着旋转 轴X的方向以及径向R延伸，即，同时沿轴向和径向延伸。

内环30和外环32各自呈围绕纵轴X旋转的圆柱管的形状。内环 30和外环32位于纵轴X的中心。例如，内环30和外环32沿纵轴X 的长度大致相等。或者，内环30和外环32沿纵轴X的长度不同。

内环30在垂直于X轴的平面中呈现第一直径D1，而外环32呈 现大于第一直径D1的第二直径D2。区段52的数量N优选地是第二 直径D2的递增函数。

例如，第一直径D1的值介于2,000mm与8,000mm之间。例如， 第二直径D2的值介于4,000mm与18,000mm之间。

每个滚动元件50在围绕滚动轴T旋转期间是活动的，滚动轴T 位于平行于纵轴X的纵向平面P中。

在图4所示的示例性实施例中，每个滚动元件50是围绕杆54旋 转的活动辊子，所述杆连接到对应第二轴承的主体49。所述辊子呈圆 柱形。在未图示的替代变型中，所述辊子呈圆锥形。

在未图示的替代变型中，滚动元件50不包括杆并且固持在外壳 中。

在未图示的替代变型中，滚动元件50是针型辊子。

在未图示的替代变型中，滚动元件50是小珠。

滚动元件50优选地由不锈钢等钢材制成。或者，滚动元件50由 铝、塑料材料、聚醚醚酮(也称为PEEK)、复合材料或陶瓷制成。

由于每个第二轴承22A、22B能够同时沿旋转轴X和径向R支撑 转子14，即同时沿轴向和径向支撑，并且所述滚动元件50呈圆柱形， 即圆柱形辊子、圆柱形针或者珠状元件，因此滚动轴T相对于旋转轴 X倾斜，如图2到图4所示。滚动轴T与旋转轴X之间的角度θ始终 大于0°并且始终小于90°。角度θ的值优选地介于30°与60°之间，更 优选地约等于45°。

由于每个第二轴承22A、22B能够同时沿轴向和径向支撑转子14， 并且滚动元件50呈圆锥形，即圆锥形辊子或圆锥形针，因此滚动轴T 相对于旋转轴X倾斜或者平行于旋转轴X，此时由滚动元件50的圆 锥形状来确保轴向支撑。

在图2和图3所示的示例性实例中，每个第二轴承22A、22V连 接到定子12，并且每个滚动元件50机械地连接到定子12并且抵靠转 子14。在一种变型中，每个第二轴承22A、22B连接到转子14，并且 每个滚动元件50随后机械地连接到转子14并且抵靠定子12。

每个区段52包括至少一个滚动元件50，优选地包括两个到八个 滚动元件50。在图2所示的示例性实例中，每个区段52包括3个滚 动元件50。

此外，每个区段52包括多个滚动元件50，所述多个滚动元件50 置于两个不同的行中，未图示，优选地置于两行或三行中。每行大致 布置在垂直于旋转轴X的平面中。一行中的每个滚动元件50大体布 置为面对旋转轴X中的另一行中的滚动元件。在一种变型中，不同行 中的滚动元件50交错布置。

每个区段52能够独立于对应的第二轴承22A、22B的其他区段 52拆除。

换言之，在图2所示的实例中，每个区段52能够独立于其他区 段52从定子12拆除。作为未图示的替代变型，当每个第二轴承22A、 22B附接到转子14时，每个区段52能够独立于其他区段52从转子 14拆除。

此外，第二轴承22A、22B和定子12各自呈现止动表面56，所 述止动表面56彼此相对，如图5中所示。止动表面56能够在至少一 个滚动元件50损坏的情况下彼此接触，以便有源定子零件24与有源 转子零件36之间的空气间隙E始终大于最小预定值。

作为未图示的替代变型，当第二元件22A、22B附接到转子14 时，第二轴承22A、22B和转子14各自呈现止动表面，所述止动表面 彼此相对。类似地，止动表面能够在至少一个滚动元件50损坏的情 况下彼此接触，以便空气间隙E始终大于最小预定值。

现在将介绍本发明的流体动力涡轮发电机10的功能。

当将流体动力涡轮发电机10置于水流中时，水流对叶片24施加 压力，从而使得转子14沿箭头ROT(如图1所示)围绕纵轴X旋转。 初始旋转速度较低，随着水流沿叶片24流动，旋转速度也随之增大。

有源转子零件36于是相对于有源定子零件24活动，从而在定子 12中产生磁场并感生电流。之后，将流体动力涡轮发电机10因此而 从水流的液压能中产生的电能输送到电力网系统。

流体动力涡轮发电机10允许针对转子14的旋转速度，例如介于 20转/分到40转/分之间的旋转速度释放100kW以上的功率。

当转子14围绕纵轴X旋转时，第一轴承20A、20B和第二轴承 22A、22B允许沿垂直于纵轴X的径向R支撑并安置转子14。

此外，第二轴承22A、22B允许沿纵轴X支撑并安置转子14。

第一轴承20A、20B和第二轴承22A、22B还在转子14止动时支 撑所述转子，无论转子是否浸没。

作为第一轴承20A、20B的补充，即，当流体动力涡轮发电机10 未浸没时，第二轴承22A、22B的存在能够增强对转子14的支撑。

此外，第二轴承22A、22B能够通过使用滚动元件50来促使转子 14开始旋转，从而普遍提高流体动力涡轮发电机10的性能，无论水 流的方向是否沿纵轴X。

此外，当每个滚动元件50的滚动轴T相对于旋转轴X倾斜时， 第二轴承22A、22B还用作轴向制动器，以便根据纵轴X安置转子14。

此外，当一个或多个滚动元件50损坏时，止动表面56的存在能 够限制转子14的移动，随后，止动表面56彼此接触，以免有源定子 零件24与有源转子零件36过于接近。

因此，这可以确保有源定子零件24与有源转子零件36之间的空 气间隙E始终大于最小预定值。换言之，止动表面56有助于在一个 或多个滚动零件50损坏时避免有源定子零件24和有源转子零件36 损坏。

还可以通过能够彼此独立地拆除的区段52促进流体动力涡轮发 电机的维护。实际上，如果指定第二轴承22A、22B的滚动元件50 磨损或损坏，则只需拆除滚动元件50已磨损或损坏的区段52即可， 而无需从指定第二轴承22A、22B拆除其他区段52。之后，可以将包 括已磨损或损坏的滚动元件的区段52更换为新的区段52或者对其进 行维修。

因此，可以清楚地了解到，根据本发明的流体动力涡轮发电机10 能够便于在制成之后进行组装、启动和适当功能测试，同时简化维护 过程。