专利名称：双向潮汐流式水电涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及从流体流动(空气或水)产生电力的涡專仑才几或 发电设备的领域，更具体地涉及这样的设备，其中流体流动引起螺 旋桨型转子或叶轮型转子的旋转，同时将旋转传递至发电机以产生 电力。进而更具体地，本发明涉及这样的设备，其中转子是能够响 应于在涨潮和退潮中遇到的水流方向而沿两个方向的<壬一个方向》走
寿争的中央开口式(open center ) 4争子。
背景技术：
用水电涡轮机或风力涡轮机产生电力是公知的。流体流动可1起 螺旋桨型转子或叶片的旋转。对于风力涡轮机，设备位于具有稳定 气流的区i或中，并且典型地，设备旋转以在最佳方向中定向,人而获 取风能。对于水电涡轮机，设备通常放置在快速流动的水流中，典 型地作为水坝结构的一部分。这种水流条件;故称为高水头(high head )条件。
尽管大多数涡轮机被构造为具有中心旋转轴(该中心旋转轴由 油润滑轴承固定在适当位置处，且其上安装有叶片或转轮 (mnner ) )， ^f旦已经发现中央开口式涡4仑才几构造可具有装有中心轴 的涡轮才几所不具备的好处。具有中央开口式转子的涡轮机在4氐水头 条件下(即较慢的水流中)是成功的，在这种涡轮机中，叶片安装 在内环形圈与外环形圈之间，或者安装在内环形轮缘与外环形轮缘 之间，并且能量通过外轮缘传递。这归结为几个原因，包括将中心轴和集中式叶片部分去除减少了阻力；由于重量减小了，所以可 以制造更大直径的转子，从而增大接触低水头流的表面面积。在水 电应用中的中央开口式涡轮机的另 一个好处是，由于通过涡轮机中 心部分的水流没有一皮叶片阻挡，所以鱼可以穿过。这种中央开口式 涡轮机的实例可以在1997年1月14日7>布的美国专利No. 5，592,816 (该专利于2003年12月2日再公布为RE 38，336 )、 2003 年ll月18日公布的美国专利No. 6,648,589、 2004年5月4日7>布 的美国专利No. 6，729，840、以及2005年2月10日7>布的美国专利 申请公开US2005/0031442 (序列号10/633,865 )中看到。
因为这些涡轮机中的流体流动是单向的，所以施加至叶片和转 子的力也是单向的。因此，由于流动将4又在一个方向上施加压力， 到目前为止只需要解决转子的顺流侧或顺风侧(此处，外轮缘由壳 体保持)的摩擦问题。在中央开口式涡轮机中，外轮缘的后缘必须 由壳体支撑，而外轮缘的前缘不经受顺流或顺风的压力。
经受双向流体流动的涡4仑才几的实例可以在Heuss等的美国专利 No. 4,421,990、 Vauthier的美国专矛J No. 6,168,373、 Vauthier的美国 专利No. 6,406,251、 Susman等的英国专利No. 2,408,294以及Davis 等的WIPO国际公开WO 03/025385中看到。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种在双向水流中可操作的、不需要 涡轮机的实体(physical)反转的水电涡轮机或发电设备，其中双向 流动包括在一个方向上经过一定时间周期的流动和在相反方向上经 过一段相继的时间周期的反向流动。本发明进一步的目的是提供能 够在双向潮沙流应用中产生电力的涡轮机。本发明进一步的目的是 提供这样的涡轮机，其中转子能在轴向方向上移动，尤其是当水润 滑的轴向轴承磨损时能够在轴向方向上移动，以使得能大幅度地延轮机的运行周期。本发明进一步的目的是提 供这样的涡轮机，其中转子在壳体内的轴向移动允许落在转子与壳 体之间的碎片可以被带走。本发明进一步的目的是提供这样的涡轮 机，其中转子在壳体内的轴向移动导致需要更小的力以启动旋转。
本发明是一种乂人由潮汐流或其4也双向逆动(reversing)水流梯: 作的涡l仑机来产生电力的设备，其中双向水流包括在第 一方向上经 过第一时间周期的流动，例如涨潮，继之以在相反方向上经过一革殳 后续时间周期的流动，例如退潮，此循环持续进行。这种水流典型 地是低水头条件，因为水流或水的移动不是快速流动或集中在一起 的。
本方法包括将中央开口式水电涡轮机或发电设备放置在潮汐流 中，从而双向潮沙流用两个方向的4壬一个方向上的水流来使涡轮4几 运4亍并产生电力，而不需要将涡4仑才几的朝向反4争过来。涡4仑才几包4舌 一个转子或旋转组件，该转子或旋转组件由安装在固定壳体内的至 少一组旋转叶片或类似的螺旋桨型或叶轮型结构限定，叶片优选地 设置在内环形轮缘与外环形轮缘之间，从而限定出相对大的不包含 结构的开放中心。水流使转子旋转并且这种能量会传递至一个或多 个发电机以产生电力，或者将转子和壳体本身构造成作为发电4几来 使用，其中例如，沿着外專仑^彖的周界(perimeter)方欠置^兹体，而沿 着环绕外轮缘的壳体的周界放置线圈。
为了处理相反方向上的水流，必须提供轴承或减摩 (anti-friction)装置，以在流入方向和流出方向上减小外轮缘与壳 体的环形保持法兰之间的接触和摩擦。在优选的实施例中，使用轴 颈，且优选地使用水润滑的水下轴承板，以将外轮缘的边缘与壳体 的保持法兰之间的转动摩擦减到最小。在最优选的实施例中，限制 轴向方向上的移动的这些轴承板和/或轴颈具有增加的厚度，从而当这些轴7 义/轴颈磨损时，转子能响应于水流的方向而在轴向方向上移 动，因而设备在一段延长的时间周期内也能保持运行。
图1是从轴向透视角度看的水电涡轮机的视图。
图2是从垂直于轴向方向看的水电涡轮机的视图。
图3是优选实施例的局部横截面视图，示出了构成减摩装置的 轴颈和7jc下轴7 a反。
图4是类似于图3示出的实施例的替代实施例，其中减摩装置 包括排斥磁体。
图5是类似于图3示出的实施例的替代实施例，其中减摩装置 包括将转动能量传递至发电机的主动轮。
图6是更优选的实施例的局部横截面视图，其中限制在轴向方 向上的移动的轴承具有增加的厚度。
图7是类似于图6的局部横截面视图，但是示出了磨损条件下 的轴岸义和在水流方向上移动了的转子。
具体实施例方式
参考附图，现在将针对最佳方式和优选实施例详细地描述本发 明。在最一般的意义上，本发明是用于产生电力的设备，主要指水 电涡4仑才几或发电i殳备，本"i殳备乂人^f氐水头双向水流或逆动水流(尤其 且主要是由潮汐流引起的双向水流，即高潮条件与低潮条件之间的 水的周期性移动)产生电力。如图1和图2总体上示出，本发明的优选实施例是包括大体上 环形的壳体21的中央开口式水电涡轮机IO。示出的壳体21的构造 并不是限制性的，如果除了允许转子31围绕旋转轴线在两个方向上 旋转，以及允许将转动能量传递至机械驱动的发电机装置42或实际 参与电力的产生(例如通过磁体51和线圏52的组合)之外，壳体 21连同其他目的一起实现了将旋转组件或转子31同心地保持在其 内部，与此同时允许转子31的有限的轴向位移，则也可能采用其他』 的构造。壳体21包括第一保持法兰22和第二保持法兰23,这两个 保持法兰各自设置在内边界(periphery )表面24的任一侧上，并且 它们共同配合以限定出一个限制装置或保持装置，将这两个保持法 兰的尺寸确定成允许转子31在沿轴向的两个方向的〗壬一个方向上 进行有限的轴向移动，优选地，这种法兰22和23实质上是环形的， 并且每个法兰均提供面向转子31的侧面的大体上平面的内表面。可 替代地，保持法兰22和23不需要是连续部件。
法兰22与23之间的最小距离由外轮缘33的轴向尺寸决定， 同时考虑任何存在的减摩装置，例如设置在转子31和壳体21上的 轴颈71或轴承72,从而转子外寿仑缘33可容纳于壳体21的通道内。 在图3至图5示出的实施例中，保持法兰22与23之间的内部距离 (该距离限定转子31在轴向方向上的最大移动距离M又稍微超过环 形外4仑纟彖33在轴向方向上的尺寸，/人而允i午净争子31的轴向移动， 4旦是此移动仍相对i也受到限制。相反i也，在图6和图7示出的实施 例中，法兰22与23之间的在轴向方向上的距离比容納环形外轮缘 33所需要的最小距离大很多，从而允许转子31在轴向方向上进行 更大的移动。
旋转组件或转子31包括一个内环形轮缘部件32和一个外环形 轮缘部件33。多个转轮或叶片部件34在内轮缘32与外轮缘33之 间延伸，这些叶片34以7>知的方式形成角度或4丑曲，乂人而在沿轴向的两个潮汐流方向99的任一个方向上的流体运动均引起转子31的 旋转。这些叶片34的具体凄t量、构造和材料组成可以改变，但是伊C 选地，尽量将叶片34构造成轻型的，而不过分牺牲结构的完整性。
内轮缘32限定了相对大的开放中心35,该开放中心在低水头 条件下增加了水电涡4仑机10的效率，由于对转子31的支撑绕着外 轮缘33的边界分散，而不是集中在中心轴处。这使得能够将壳体 21和转子31构造为具有比可能用轴安装的转子更大的直径，从而 允许叶片部件34的总表面面积的急剧增加，这使得水电涡轮机10 能够在低水头条件下运行良好。
在图3示出的优选实施例中，壳体21和转子31共同确定了用 于产生电力的发电机。这可以通过围绕外轮缘33的外边界放置多个 磁体51并且围绕壳体21的内边界表面24放置多个线圈52来实现， 从而壳体21实际上变成了发电机的定子。转子31的旋转使磁体51 才黄穿线圈52， /人而以7>知的方式产生电力。
除了由水本身提供的润滑之外，提供减摩装置以将转子31与壳 体21之间的摩擦阻力降到最小也是很重要的。在优选的实施例中， 这通过结合4吏用一些轴颈部件71和一些轴岸义72来实王见，例如图3 所示的水润滑的水下轴承板。通过将一些轴承定位在转子的外轮缘 上，则轴承表面增加，并且因此轴7K上每平方英寸的压力减小至水 润滑轴承可以使用的程度。
如所示的，这些轴颈71安装在外4仑桑彖33的流入边纟彖和流出边 缘处，并且这些水下轴承板72安装在壳体21和保持法兰22及23 的内边界上，1"旦是轴颈和轴7 a反的安装位置可以反过来。应该理解 的是，术语"流入"和"流出"在本申请中是相对的术语，它们取 决于穿过涡4&才几10的水流的方向，该方向实质上是双向的。显而易 见地，同样的相对性也将适用于诸如"上游"和"下游"等术语。轴向轴颈71a对应于轴向轴^ 义或止推轴承72a，并且它们一起控制 转子31在轴向方向上的移动。径向轴颈71b和径向轴岸义72b共同 控制转子在径向方向上的移动。轴颈71由相对^f氐摩^^的材料组成， 例如不锈钢或类似材料，并且水下轴承板72类似地也由相对低摩標_ 的材料组成，诸如聚合物，例如，特氟纶、陶瓷或类似物。这些部 件，以及设备中的所有部件，都必须抵抗盐水和其他环境损害，因 为本发明的使用将典型地将这些部件暴露至这样的环境中，尤其是 典型地包括盐水或含盐的水的潮沙流。这些轴颈71和水下轴7f^反 72共同减小了径向方向和两个轴向方向上的摩"l察和阻力，从而最小 程度地阻碍转子31相对于壳体21的旋转。
由于允i午寿争子31响应于潮汐;危在4壬一方向上的偏i移，涡4仑才几 10的上游侧上的减摩装置在轴向方向上不接触，因此对于潮汐在那 个方向上流动的周期，在涡轮机的工作过程中该减摩装置将不会遭 到磨损。 一旦潮汐反向，转子31将朝着之前是壳体21的上游侧轴 向地位移，从而涡轮机10的新的上游侧上的减摩装置将不会^皮接 触，因此将不会遭到磨损。这种布置确保了在任意给定时间，仅有 涡轮机10的一侧上的减摩装置会遭到磨损，从而减少了减摩装置的 整体磨损。
在更优选的实施例中，如图6和图7所示，限制转子31在轴向 方向上运动的轴向轴承82a最初具有增加的厚度，从而使第一保持 法兰22与第二保持法兰23之间的内部距离比在轴向方向上保持转 子31所需的最小距离大得多。这就构造出了在轴向方向上延伸的短 的圓柱形轨道80， /人而允许转子31以与活塞在汽缸中移动相同的 方式在此4九道80内轴向i也移动。当潮沙流99在第一方向上产生时， 转子31沿水流的方向移动，从而下游侧上的低摩擦轴向轴承或止推 轴承82a与轴向轴颈81a —块限制转子31在那个方向上的移动。当 潮汐流99反转到第二方向时，转子31移动至相对侧，从而相对侧(现在是下游侧)上的低摩擦轴承82a限制转子31在第二方向上的 移动。因为转子31是中央开口式类型的，所以转子31相对于壳体 21的这种移动能够更容易地发生，从而所有的保持力都在外轮缘33 上产生，这与其中转子安装在中心轴或轮轴上的涡轮机类型相反， 尽管可以理解这种轴向移动可以在基于轴的涡轮^几上实现。随着时 间的过去，特大型的轴承82a由于摩擦效应而磨损。图7示出了已 使用了延长的时间周期的涡轮4几10，其中轴向轴承82a已严重磨损。 随着在附图中^^人左至右的方向上产生的潮汐流99，转子31移动至 右侧。当潮沙流99反转过来时，如虚线所示，转子31移动至左侧。 因为4寻壳体21和轴向轴夂"R 82a的尺寸确定成允"i午转子31在轴向方 向上移动，并且因为轴向轴承82a具有增加的厚度以使得轴承82a 的使用寿命延长，因此所需的维护与维修(根据需要更换轴承82a) 之间的时间大幅度延长了 。因此轴承82a被i殳计为甚至在轴向方向 上严重磨损后仍能有效地工作。特别地，优选的是，即使轴承82a 在轴向方向上已经磨损至其原始厚度的100%-10%范围内，更优选 地是100% - 30%范围内，以及最优选地是100% - 50%范围内时，涡 轮机10仍能工作。为了适应转子31的往复轴向移动，优选地，提 供相对于轴向轴颈81b在轴向方向上延长的或特大型的径向轴谬义 82b。不兹体51和线圏52的组合也纟皮构造为适应轴向移动而不会带 来明显的生产损失。转子31相对于壳体21的轴向移动的附加特征 是，落在转子31与壳体21之间的碎片能通过潮流更容易地从设备 中沖出，因为上游法兰22或23与环形外4仑^彖33的边全彖之间的间隙 的扩张允许该间隙内的水流流动增加。另一个有利特征是，从固定 位置启动转子31的旋转所需要的能量更少，因为旋转会在下游减摩 装置与外轮缘33之间接触之前开始。
可^办代地，如图4所示，减摩装置可以包括多组排斥》兹体61。 这些排斥磁体61成对地安装在外轮缘33上、壳体21的内边界表面 24上、以及保持法兰22和23上，其中给定组内的相异磁极面向彼此，从而排斥磁力阻止外轮缘33与壳体21以及保持法兰22和23 之间的4妾触。在又一个替代实施例中，如图5所示，可以使用枳4成 装置作为减摩装置，例如滚筒或其他S走转轴承。在示出的实施例中， 减摩装置包括由轴43连接至发电机装置42的主动轮41，转子31 的旋转直接传递至发电机装置42以产生电力。此最后的实施例是最 不理想的，因为将难以适当地密封这些部件以防雄卩随着时间产生的 污祐禾口老<匕。
为了从潮汐流产生电力，将一个或多个水电涡轮机10浸没或放 在受到潮汐作用的水体中，优选地在地表水中，从而在涨潮或潮汐 进入的过程中，水将在一个方向上流动通过转子31，进一步在退潮 或潮汐流出的过程中，水将在相反的方向上流动通过转子31。当涨 潮时，转子31沿第一方向转动并如上所述产生电力。当退潮时，水 流反转并且转子31沿相反方向转动，再次产生电力。由于这种中央 开口式构造、相对大的叶片表面区域以及转子31相对于壳体21及 保持法兰22和23的支撑力的散布，因此转子31可在低水头条件下 旋转，/人而4吏潮汐流足以产生电力。
应该理解的是，对于本领域的技术人员而言，前述的特定元件 的等同物或替代物是显而易见的，并且因此本发明的实质范围和限 定在随后的权利要求中提出。
权利要求
1. 一种涡轮机，所述涡轮机用于从沿第一水流方向和相反的第二水流方向的双向水流中产生电力而无需反转所述涡轮机相对于水流方向的位置，所述涡轮机包括转子，包括从外轮缘延伸的叶片，所述转子能够沿第一旋转方向和第二旋转方向旋转；壳体，包括将所述转子保持在轴向方向和径向方向上的保持装置，在使用中，所述壳体允许所述转子响应于所述双向水流在沿轴向的两个方向中的任一个方向上移动；减摩装置，用以在使用中减小所述壳体与所述转子之间的摩擦阻力；以及产生电力的装置，其由于所述转子在所述第一旋转方向或所述第二旋转方向上的旋转而产生电力。
2. 根据权利要求1所述的涡轮机，其中，确定所述壳体的形状和 尺寸，以使得所述外轮缘和保持装置在使用中不会在所述外轮 纟彖的上游侧上;f皮此轴向4妄触。
3. 根据权利要求1或2所述的涡轮机，其中，确定所述壳体的形 状和尺寸，以4吏得在^f吏用中允许所述转子在所述l仑缘的下游侧 与所述保持装置之间相接触之前从固定位置开始旋转。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述保持装 置包括第 一保持法兰和第二保持法兰。
5. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述减摩装 置在使用中减小所述保持装置与所述外轮缘之间的阻力。
6. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，即使所述保持装置在轴向方向上有摩擦磨损，所述保持装置仍适合于有效地工作。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，当所述保持 装置在轴向方向上的厚度磨损为所述保持装置原始厚度的100 %- 10%之间，更优选地在原始厚度的100% - 30%之间，并且 最优选地在原始厚度的100% - 50%之间时，所述保持装置仍 适合于有效地工作。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述减摩装 置包括轴颈和水下轴承板，其中，所述转子在轴向方向上的移 动量随着所述减摩装置由于摩擦影响而造成的厚度减小而增 力口。
9. 根据权利要求8所述的涡轮机，其中，所述轴颈由不锈钢构成， 并且所述水下轴承板由低摩擦聚合物构成。
10. 根据权利要求8或9所述的涡轮机，其中，所述轴颈设置在所 述外轮缘上，而所述水下轴承板设置在所述第一保持法兰和所 述第二保持法兰上。
11. 根据权利要求8至10中任一项所述的涡l仑机，所述壳体进一 步包括内边界表面，其中，所述水下轴承才反还设置在所述内边 界表面上。
12. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，所述壳体进一步包 括内边界表面，其中，所述产生电力的装置包括设置在所述外 轮缘中的磁体和设置在所述内边界表面中的线圏。
13. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述转子包 括限定了中央开口的内轮缘，所述叶片位于所述内轮缘与所述 外库仑缘之间。
14. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述减摩装 置包括水润滑的水下轴承板。
全文摘要
本发明提供了一种用于从潮汐流的力产生电力的水电涡轮机，该涡轮机具有带开放中心的转子，从而叶片(34)安装在内轮缘(32)与外轮缘(33)之间，其中提供保持部件(22，23)和减摩部件(71，72)以限制转子相对于壳体(21)在沿轴向的两个方向中的任一个方向上的移动，从而沿两个方向中任一个方向的水流(99)使涡轮机运行，但是其中，保持部件(22，23)和减摩部件(71，72)允许转子响应于水流沿两个轴向方向的任一个方向移动。限制转子在轴向方向上的运动的减摩部件优选地具有增加的厚度，从而当减摩部件磨损时，转子能够相对于壳体在轴向方向上移动。
文档编号F03B13/10GK101535632SQ200780026527
公开日2009年9月16日 申请日期2007年7月13日 优先权日2006年7月14日
发明者赫伯特·威廉斯 申请人:欧鹏海德洛集团有限公司