专利名称：具有浮力腔的浸没式水电涡轮机的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及利用水的流动产生电力的涡轮机或发电装 置的领域，无i仑流动是单向的(诸如流向河流或洋流中)还是双向 的(诸如潮汐流)，更具体地，本发明涉及这样的装置，其中流体 流引起大螺旋桨型的转子转动，该大螺旋桨型的转子具有设置在大
环形壳体内的环形外轮缘(rim)。还更具体地，本发明涉及这样的 装置，其中涡轮机浸没在水体中。
背景技术：
用水电涡轮机来产生电力是公知的。典型地，涡轮机安装在坝 上，以便受控的流体流引起螺旋桨型的转子或叶片转动。这样相对 快速的水流条件已知为高水头(highhead)条件。还已知将涡4仑才几 设置在低水头条件下，诸如海湾中、河口或近海的潮汐流所产生的。
虽然大多数涡轮机被构造成具有其上安装有叶片或叶轮的中 心万走4争轴，Y旦还已^口制造出中心开口 ( open-centered )的涡專仑才几， 也就是已知的装有轮缘(rim-mounted)的涡轮才几。具有中心开口的 转子、其中叶片安装在内环形圈或轮缘与外环形圈或轮缘之间并且 其中能量经外轮缘传递到保持转子的环形壳体的涡轮机在低水头 条件下(即，更緩慢的水流中)是尤其成功的。
中心开口 、装有4仑纟彖的涡轮^几的实例可以在以下各项中看到 1997年1月14日7^布的第5,592,816号美国专利，该专利于2003年12月2日作为RE38,336再次公布；2003年11月18日公布的第 6,648,589号美国专利；2004年5月4日^>布的第6,729,840号美国 专利；以及2005年2月10日公开的美国专利公开US2005/0031442 (序列号10/633,865 )。用于低水头(潮沙流)条件下的水电涡4仑才几 的实例可以在以下各项中看到Heuss等的第4，421 ，990号美国专利； Vauthier的第6,168,373号和第6,406,251号美国专利；Susman等的 第GB 2,408,294号英国专利申请；以及Davis等的世界知识产权组 织国际/>开WO 03/025385。
流体驱动的涡，仑才几纟皮一见为是<吏用化石燃料或原子能的发电装 置的环保替代物。在利用风或水大规模地产生电力而能够为大工业 中心、镇区、城市等供电时，需要设置大量的涡轮机，并且要求涡 轮机尽可能得大，以使每台涡轮机产生的电量最大化。这些涡轮机 的转子叶片的长度达到数米，通过一些实验设计得知叶片的长度超 过50米。
随着转子叶片的长度增加，出现了在较小的涡轮机或发电机中 没遇到过的结构和制造上的4兆战。对于装有轴的涡4仑才几来i兌，难于 设置既坚固又轻便的长叶片。装有轮缘的涡轮机为该问题提供了解 决方案，其通过保持在具有环形狭槽或通道的壳体内的外支撑轮缘 来为叶片的每端提供环形支撑。为了产生电力，沿环形支撑轮缘间 隔有多个磁体，并且沿定子壳体内的接收通道间隔有多个线圈。由
转子f兹场系统所建立的》兹场穿过隔开转子与定子的间隙。转子的旋 转引起与线圏相关的磁通量改变，包括线圏中的电磁力。
在装有轮缘的涡轮机中，转子重量由壳体的下半部承受，因为 没有中心支撑轴或轴杆。对于大涡轮机来说，对于转子在壳体内的 初始起动以及一旦旋转实现后涡轮机的总效率，该负载和所产生的 摩擦作用可能是显著的。增加转子重量意味着增加旋转阻力，意味着需要更大的流体流来克服固有的惯性和摩擦。对于用在低水头条 件下的水电涡轮机，这尤其是个问题。
发明内容
本发明的目的是为水电涡轮机提供一种改进的结构，其中转子 的重量减轻，以使转子有浮力。本发明的另一目的是提供这样的涡
轮机，其中重量减轻通过在转子中设置浮力腔(buoyant chamber ) 来实现，从而对于浸没在水中的涡轮机来说，转子的大重量所导致 的消极重力效应通过增加的转子浮力而减小或4氐消。
本发明是一种改进的流体驱动型涡轮机，其中转子叶片由外轮 缘支撑，且外轮缘保持在壳体内或由壳体保持，该壳体具有接收外 轮缘的通道。在典型结构中，涡轮机是发电机，其中磁体设置在转 子外轮缘上，并且线圈设置在壳体或定子通道中，以使转子在定子 内的转动产生电力。具体地，涡轮机是浸没在水体中的这类涡轮机。
改进包括在壳体内i殳置浮力转子。在优选实施例中，涡轮机的 转子设有位于环形外4仑*彖和/或内專仑*彖和/或叶片中的一个或多个浮 力腔，以使转子的总重量减轻，并且还使得转子的浮力增加。该腔 可填充有空气、其他气体、液体、泡沫、固体或者4壬何比重为1或 更小的材料。浮力腔可填充有聚合物泡沫，以增加转子的结构完整 性禾口刚'性。
图l是代表性的中心开口、装有轮缘的涡轮机的视图，如从轴 向透视图中所看到的那样，其包括具有外轮缘的转子以及具有用于 接收转子外轮缘的通道的定子壳体。图2是定子壳体的透视图。 图3是转子的透视图。
图4是转子环形外轮缘的局部横截面视图。 图5是定子壳体的局部横截面视图。 图6是转子环形内轮缘的局部横截面视图。
具体实施例方式
下面将参考附图针对最佳模式和优选实施例详细描述本发明。 在最一般意义上，本发明为浸没在水体中的这类水电涡轮机，该涡 轮机包括安装在定子壳体内的转子，该转子具有由定子壳体中的环 形通道或狭槽接收并保持的环形外轮缘，其中转子被构造成是有浮 力的。所示发电才几装置包括设置在转子环形4仑缘上的多个,兹体和设 置在定子壳体内部上(优选地位于接收转子环形轮缘的通道内)的 多个线圈的组合，但也可以使用其他发电机装置。出于说明的目的， 图中涡轮机被示出为中心开口、装有轮缘的转子，因此转子的所有 支撑由定子壳体提供，但应该理解的是，本发明也可应用于具有安
装有轴的转子且该转子具有环形外4仑缘的涡4仑才几。如本文中所4吏用 的，术语"有浮力的，，旨在表示所述构件不会沉没到该构件浸没在 其中的这类水中，无论是淡水还是海水。本文中所涉及的对"浮力" 的科学定义为具有小于或等于l的比重，应该^皮一见为包括该范围的 延伸，以解释水的密度不同于纯水的密度的情形。
如图1到图3中大体所示，本发明是涡轮机或发电装置10，其 包括大致为环形的定子壳体30。所示壳体30的形状不是限制性的， 其他形状也是可能的，只要壳体30实现保持旋转组件或转子20不 在轴向方向上^L不期望的运动，并允许转子20绕旋转轴线旋转。壳体30包括一对保持法兰31，这对法兰限定出接收并保持转子20 的通道32。
旋转组件或转子20包括内环形4仑缘件23和外环形4仑缘件22。 内轮缘23与外轮缘22之间延伸有多个螺旋桨、叶轮或叶片件21 ， 叶片21以/^知的方式成一角度或#皮4丑曲，以"f吏流体沿4由线方向并 穿过定子壳体30的运动导致转子20旋转。叶片21的具体凄t量、 形状和材料成分可以改变，但优选地，在不过度牺牲结构完整性的 前提下，叶片21被构造得尽可能得轻。
组合的壳体30和转子20限定出用于产生电力的发电机装置。 这可以通过围绕外轮缘22的外圓周设置多个磁体41并且围绕壳体 30或壳体通道32的内圆周表面34设置多个线圏42来实现，从而 使壳体30成为发电机的定子。转子20穿过磁体41跨过线圈42旋 專争，并以7厶^r的方式产生电力。
由于涡4仑才几10的大尺寸，因此希望以相对轻4旦在结构上仍然 坚固的材料来构造。为此，已经发现适于使用聚合物、环氧树脂、 树脂、加强纤维等作为转子20和壳体30的主要结构成分来构造涡 轮机。典型地，转子20主要由上述轻型材料构造，以使磁体41和 其他构件能够嵌入其中。转子20 ^皮构造成当浸没在水中时是有浮 力的。
在一个实施例中，转子20中i殳有一个或多个浮力腔60，诸如 设置在外环形4仑缘22内，如图4中所示。在优选实施例中，单个 环形腔60完全围绕外环形轮缘22延伸，但也可以使用成并排或首 尾相连关系的多个腔60。如果使用多个腔，则它们绕周向均纟釺地布 置，以使转子20的旋转不会受到不利的影响。浮力腔60内可以设 有结构件(未示出)，诸如支撑件等，以增加环形外轮缘22的刚性。 浮力腔60可填充有空气或其他气体、液体或轻型刚性件或比重为1或更小的材料，但最优选地，腔60填充有具有积极结构特征的浮 力材料61，诸如聚合物泡沫。聚合物泡沫(诸如聚亚安酯)被预形 成并一皮置于月空60内或者^皮注入到浮力月空60内，并且如果注入到浮 力腔60内是优选的，则聚合物泡沫应是在固化后会粘附到腔60的 内表面的这类聚合物泡沫。泡沫的刚性及其与浮力腔60的壁的粘 接界面增加了转子20的总刚性和结构完整性。选4奪浮力腔60的尺 寸和特定的浮力材料61,以影响特定情况下所希望的浮力程度。例 如，在某些情况下，〗又希望减轻转子20,而在其他情况下，优选地， 将转子20的重量减轻到浮力处于中立的点，而在另一些情形中， 优选地，将转子20的重量减轻到转子相对于水具有正浮力的点， 以^吏其漂浮在定子通道32上方，并且在通道32的上部上没有出现 任何摩擦作用。
可替换地，或者除了在环形外轮^彖22中i殳有浮力腔60以外， 浮力腔60可以设置在环形内轮缘23和/或叶片21内，如图6中所 示。如上所述，环形内4仑乡彖23和叶片21的浮力腔60可以填充有 空气或其他气体、液体或轻型刚性件或比重为1或更小的材料，但 最优选地，腔体60填充有具有积极结构特征的浮力材料61，诸如
聚合物泡沫。
这样，由转子20的显著重量所导致的在转子20与定子壳体30 之间出现的消极摩擦作用被减小或消除了 ，从而使初始起动更容易 地实现，并且4是高了旋转效率。
在某些情况下，还希望减轻定子壳体30的重量，诸如希望是 漂浮式涡轮机时。如图5中所示，定子壳体30内可以设有一个或 多个浮力腔60,浮力腔60填充有浮力填充材^)"61，诸如现场固化 的聚合物泡沫或任4可其他上述材并牛，且优选地是为壳体60 4是供刚 性和结构完整性的材料。因为定子壳体30是涡轮机10的静止件，故浮力腔60最优选地设置在定子壳体30的顶部中，以增加涡轮4几 10在水中的稳、定寸生。
应该理解的是，对于本领域技术人员来说，上述某些件的等同 物和替代物是显然的，因此本发明的真正范围和限定由以下4又利要
求给出。
权利要求
1.一种浸没在水中的流体驱动式涡轮机，所述涡轮机包括转子；接收所述转子的定子壳体；以及产生电力的发电机装置，并且其中，所述转子包括设置在叶片上的外轮缘，并且其中，所述外轮缘和/或所述叶片中设有一个或多个浮力腔。
2. 根据权利要求1所述的涡轮机，其中，所述转子包括设置在所 述叶片上的内轮缘，并且其中，所述一个或多个浮力腔设置在 所述内轮缘中。
3. 才艮据片又利要求1或2所述的涡4仑4几，还包括 没置在所述一个或 多个浮力腔内的浮力填充材料。
4. 才艮据权利要求3所述的涡4仑才几，其中，所述浮力填充材料的比 重为1或更小。
5. 根据权利要求3或4所述的涡轮机，其中，所述浮力填充材料 包括气体，优选地为空气。
6. 根据权利要求3或4所述的涡轮机，其中，所述浮力填充材料 包括聚合物泡沫。1
7. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述一个或 多个浮力腔完全围绕所述转子延伸。
8. 根据前述权利要求中任一项所述的涡轮机，其中，所述一个或 多个浮力腔包括成并排关系的多个腔。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的涡4仑才几，其中，所述一个或 多个浮力腔包括成首尾相连关系的多个腔。
全文摘要
一种水电涡轮机，其具有设置在定子壳体内的转子，该转子具有由定子壳体内的通道接收的环形外轮缘，改进包括浮力转子，该转子优选地具有设置在转子内的浮力腔。该浮力腔可设置在环形外轮缘、叶片或环形内轮缘、或其组合内。优选地，浮力腔填充有比重为1或更小的材料，且最优选地，该填充材料为增加了转子的刚性的聚合物泡沫。
文档编号F03B13/10GK101529086SQ200780026535
公开日2009年9月9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