一种轴流式对旋鱼友好型透平装置的制作方法

本发明属于流体机械领域，特别涉及一种轴流式对旋鱼友好型透平装置。

背景技术：

能源是一个国家国民经济发展的基础和前提。低碳、清洁、可持续的新型能源已成为社会发展的必然要求，随着煤、石油等化石类能源的越来越少，火电的比重将会渐渐减少。那么取而代之的将是无能耗和无污染的新能源发电，水力发电因为其蕴藏量和可行性，必将成为新能源发电中最大的一块。

常用的贯流式水泵水轮机由于其转轮直径较大，江湖里有大量鱼类生物通过发电机组时生命都受到严重威胁，水力发电机是水力发电的重要部分，水力发电机的合理高效利用将是水力发电的关键性技术，现在的水力发电机都是单个叶轮结构，水能利用率较低，如做成双叶轮对转结构，可实现水能二次利用，而且通多双转轮设计，可以有效地较少鱼类死亡率，随着双转子电机的研制以及应用使得双叶轮对转结构式发电机组成为可能。区别于潮汐电站上传统的发电机组，两个转轮同时对向旋转时就产生两个相反的单边扭矩，当电机功率分配合理，两个扭矩就可以完全抵消。采用特殊结构的内外双转子对转永磁同步电机，其与同功率的传统电机相比具有转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点。

现有技术中专利公开号为cn105626573a的一种基于鱼存活率预测的鱼类友好型轴流泵，该发明提供了一种基于鱼存活率预测的鱼类友好型轴流泵的设计方法，采用数学模型预测泵设计参数与鱼类通过存活率之间的关系，并由此指导轴流泵的鱼类友好型设计。数学模型主要包括叶片前缘撞击概率及撞击死亡率，撞击概率为鱼类通过叶片前缘处过流断面的时间与叶轮转过一个叶片距所需时间的比值，撞击死亡率与撞击速度、鱼类长度和叶片前缘厚度有关，撞击速度取垂直前缘的速度分量，该发明有效地提高鱼类通过大中型轴流泵的存活率，避免鱼类损伤和死亡，但是该发明没有减小鱼类进入旋转机械的概率，在转轮较高速运转的情况下鱼类依然损伤较大。

现有技术中专利公开号为cn106015013a的一种鱼友好轴空轴流泵，该去掉传统轴流泵的轴结构，原来轴、叶轮和导叶结构被轴空轴流叶轮机构、轴空导叶机构取代，整个轴空轴流叶轮机构通过外置皮带轮带动其旋转，叶轮和导叶的轮毅部分为中空的，不但增加了液体的过流面积,且给鱼等河海类生物经过轴流泵留了一条通道，在轴空轴流叶轮机构前安装仿锥面形漏网,当轴流泵工作时,鱼类在液体的带动下，锥面形漏网起到了保护作用，使其从叶轮和导叶的轮毂轴空部分通过，保证了鱼等河海类生物的生命安全，但是该发明使得机组结构变得复杂庞大，在发电工况下会损失太多能量，并不适用于多工况透平机械。

技术实现要素：

针对目前国内外应用较多的单叶轮贯流式水轮机普遍存在的反向效率较低的问题以及提高水电站鱼类存活率，本发明提供了一种轴流式对旋鱼友好型透平装置。本发明采用双转子对称结构设计，通过中间对转永磁电机实现双转子对向旋转，有效地避免了传统导叶与叶轮干涉的问题，将传统s型翼型叶片改型设计，有效地提高了鱼类存活率；此外，对旋双转子结构在满足水轮机高效运行的条件下还提高了水泵工况的扬程，双转子电机还具有转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，外侧线圈共用一个线端，不光节约了材料，还减小了转动惯量。本发明设计合理，对旋双转轮运行稳定，轴向扭矩小，而且内外双转子对转永磁同步电机体积小、振动小。

本发明通过以下技术方案实现的：

一种轴流式对旋鱼友好型透平装置，所述透平装置包括两个对旋的左转轮、右转轮、活动直导叶和双转子电机部分；左转轮和右转轮轴向对称安装，布置在双转子电机两侧，活动直导叶均匀布置在双转子电机四周；左转轮通过轴一与电机转子一连接，右转轮通过轴二与电机转子二连接；电机定子布置于电机转子一和电机转子二之间，并通过轴承一与轴承二固定；电机转子二固定安装在轴二上，轴二通过轴承二与轴承三固定；电机转子一通过轴承一与轴承三固定；

所诉两个对旋的左转轮和右转轮叶片翼型设计为鱼友好“s”型。

所述透平装置在正向泵工况下左转轮转速n1小于右转轮转速n2，在反向泵工况下右转轮转速n2小于左转轮转速n1，左转轮和右转轮的叶片数均不超过3个。

所述左转轮和右转轮分别连接独立的变频器，转轮旋转方向根据工作工况而定。

所述电机共用一套定子绕组，两转子相互独立无连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过对转永磁电机实现双转子对向旋转，双转子布置在电机两侧的结构设计，既满足了在水轮机高效运行的条件下提高水泵工况的扬程，又有效地避免了传统导叶与叶轮干涉严重的问题，从而提高鱼类在流道内的存活率。

2.本发明特殊结构的内外双转子对转永磁同步电机，其与同功率的传统电机相比具有转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，外侧线圈共用一个线端，不光节约了材料，还减小了转动惯量，永磁电机体积较小，有利于双向水流流动稳定。

3.本发明中的左转轮与右转轮对向旋转，区别于传统的贯流式发电机组，两个转轮同时对向旋转时就产生两个相反的单边扭矩，当电机功率分配合理，两个扭矩就可以完全抵消，可以有效地减小机组振动。

4.本发明中左转轮和右转轮叶片重新设计，将传统单叶轮多叶片减少为双叶轮少叶片转轮，对叶片进口段改型，减小了鱼类通过叶轮受到的撞击概率和撞击力。

5.本发明通过变频器，在正反向泵工况下降低进口转轮的转速，提高出口转轮的转速，在保证了泵性能的前提下，进口转轮转速的降低有利于鱼类游动过程中脱离透平运转时的吸力，从根本上杜绝了鱼类卷入旋转机械的死亡现象。

6.本发明充分利用内外双转子对转永磁同步电机转子铁心利用率高、功率密度高、结构紧凑等优点，将传统的单转轮贯流式发电机组设计为双转子对旋的结构，双转轮叶片进行鱼友好设计，不仅有效地减小了机组振动，而且在保证水轮机高效运行的条件下提高了水泵工况的扬程，并且改善了反向流动的性能；由于正反向水泵工况转速相对较高，通过变频器降低泵进口转轮的转速来降低鱼类死亡率，相较于传统的灯泡贯流式水轮发电机组，既保护了生态环境，又提高了水能综合利用。

附图说明

图1是本发明一种潮汐电站用对旋双转轮鱼友好透平；

图2是本发明转轮叶片改型示意图；

图中，1.左转轮；2.轴一；3.电机转子一；4.电机定子；5.电机转子二；6.轴二；7.右转轮；8.轴承一；9.轴承二；10.轴承三；11.活动直导叶。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明一种潮汐电站用对旋双转轮鱼友好透平，所述潮汐电站用对旋双转轮鱼友好透平，包括左转轮1、轴一2、电机转子一3、电机定子4、电机转子二5、轴二6、右转轮7、活动直导叶11；

所述透平主要两个对旋的左转轮1和右转轮7、活动直导叶11和双转子电机部分组成；左转轮1和右转轮7轴向对称安装，布置在双转子电机两侧，活动直导叶11均匀布置在双转子电机四周；左转轮1通过轴一2与电机转子一3连接，右转轮7通过轴二6与电机转子二5连接；电机定子4布置于电机转子一3和电机转子二5之间，并通过轴承一8与轴承二9固定；电机转子二5固定安装在轴二6上，轴二通过轴承二9与轴承三10固定；电机转子一3通过轴承一8与轴承三10固定

所诉两个对旋的左转轮1和右转轮7叶片翼型设计为鱼友好“s”型。

优选地，所述透平装置在正向泵工况下左转轮1转速n1小于右转轮7转速n2，反向泵工况下右转轮7转速n2小于左转轮1转速n1，单个转轮叶片数不超过3个。

优选地，所述左转轮1和右转轮7分别连接独立的变频器，转轮旋转方向根据工作工况而定。

优选地，所述电机共用一套定子绕组，两转子相互独立无连接。

如图2所示为本发明转轮叶片改型示意图。将传统的贯流式转轮叶片翼型进水段去掉，出水段逆时针旋转复制180°得到s翼型，翼型厚度按791翼型加厚，对s翼型进出水口修圆。修改后的翼型减小了鱼类垂直进入转轮时与转轮叶片进口处的夹角，提高了鱼类的存活率。

本发明工作原理：

根据电站的需要调节活动直导叶11的转角，正反向水轮机工况时，水流作源动力，假设水流从左侧流向右侧，左转轮1在水流的作用下正向旋转，带动与轴一2相连的电机转子一3同向转动，右转轮7在水流的作用下反向旋转，带动与轴二6相连的电机转子二5同向转动；正反向水泵工况时，电动机作源动力，电动机通电产生旋转磁场，假设电机转子一3正向旋转，带动与轴一2相连的左转轮1同向转动，电机转子二5反向旋转，带动与轴二6相连的右转轮7同向转动，分频器分别控制左转轮1和右转轮7的转速。上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。