用于产生电能的涡轮发电机装置及相关的操作和安装方法与流程

如在本说明书的标题中所表达的，本发明涉及用于产生电能的涡轮发电机装置且涉及相关的操作及安装方法，这些内容被包括在通过利用流通流体的机械能产生电能的技术领域内。

本发明的涡轮发电机装置对象的主要目的是提供下述一组实体：所述一组实体通过利用带有机械能的运动流体而一起运转以产生电能，使得所述实体确保最有效的能量转换可能，所述实体可以安装在任何类型的新型或已存在的液力设备中，所述实体占用非常小的空间且需要最少的维护并且提供对于所述实体的启动和关机的增加的控制。

背景技术：

通过介绍的方式，已知使用和存在的构造成用于将流体的机械能转化为电能的大量涡轮发电机，并且由此产生的电能可以被用于需要电能以用于操作的不同设备中或者由此产生的电能可以直接注入到现有的电网中。从这个方面来说，必须阐明的是，流体的机械能源自于存在于两个高度之间的流体的势能以及运动流体本身的动能。

从这个方面来说且一般而言，使用被安装在水力发电厂中的液力涡轮机是已知的，并且所述液力涡轮机有三种类型：

-pelton型喷气式涡轮机：所述涡轮机各自具有多个凹形的叶片，使得流体流以横向射流的形式横向地冲击涡轮机的旋转轴。因此，流体具有非常高的压力，并且所述涡轮机被设计成以高水头但低流量来运转。

-kaplan型反动式涡轮机：所述涡轮机各自具有多个叶片，其中，流体平行于涡轮机的旋转轴流通，其中，在操作期间所述涡轮机能够改变其叶片的角度的特殊之处突显出来，并且其中，所述涡轮机被设计成以低水头和高流量来运转。

-francis型反动式涡轮机：所述涡轮机各自具有多个叶片，其中，流体垂直于涡轮机的旋转轴流通，并且所述涡轮机被设计成以中水头和中流量来运转。

所有这些涡轮机具有下述涡轮型元件：该涡轮型元件负责将在该涡轮型元件周围流通的流体的机械能转化为旋转机械能，使得所述机械能被传递至通过转子和定子所形成的异步电动机型发电机元件，其中，该转子联接至涡轮机的轴，定子的绕组将所述机械能转化为电能。

然而，必须强调的是，所有这些涡轮机被设计成用于预定流量的流体，使得在存在过多量的流体时，所述量的流体的一部分必须被旁路至外部，以使得在涡轮发电机装置中不会发生过电压或故障，其中，该流体通常为水。所述流体旁路指的是未通过上述涡轮发电机装置而泄漏出的流体的机械能未被利用，并且其中，所述未被转换的电能不会在后面重新收回，而是在流体流动进入到相应的水库、河流或类似物中之后丢失。

基于这个原因，为了能够利用流通通过这种旁路的所述过多的流体，需要一种用于产生电能的新型涡轮发电机装置，该涡轮发电机装置可以被安装在所述旁路中，从而由于所述旁路与先前指明的涡轮机所处于的主管道相比显著更小的尺寸而占用最小空间，该涡轮发电机装置可以以快速且有效的方式从外部来控制。前述内容是通过由彼此配合运转以确保最大可能的能量产率和利用率的简单实体所形成的装置来实现的，并且前述内容相对于现今已知的技术状况而言是新颖的。

技术实现要素：

本发明涉及用于产生电能的涡轮发电机装置，该涡轮发电机装置包括：

-筒形管，该筒形管在其端部处敞开并且该筒形管构造成用于允许一定量的流体通过该筒形管；

-液力涡轮机，该液力涡轮机通过联接轴而轴向地且机械地联接到至少一个发电机元件，其中，相应的元件被容置在所述筒形管内并且被限定为涡轮发电机单元，并且其中，所述涡轮发电机单元构造成用于将流体的机械能转化为电能。因此获得了可以被安装在任何类型的现存的流体旁路中的非常紧凑的涡轮发电机单元。从这个方面来说，必须强调的是，发电机元件是可淹没式的，因为发电机元件被容置在用作用于一定量的流体的旁路的筒形管内。

轴向联接至涡轮机的发电机元件还包括防漏管状壳体，该防漏管状壳体相对于筒形管内的流通流体是防漏的，其中，所述壳体在其中包括：

-转子和定子，该转子联接至所述联接轴，该定子至少部分地围绕所述转子，其中，所述壳体具有两个基部：基部中的一个基部包括用于使联接轴通向涡轮机的孔，并且另一基部包括弹性隔膜，该弹性隔膜构造成用于将来自管状壳体的外侧的压力吸收至该管状壳体内；以及

-限定在定子与防漏管状壳体的内表面之间的空间，其中，所述空间容纳防冻剂液体。

因此，可以观察到的是，发电机元件具有用于本发明的发电机装置对象的操作和调试的两个基本技术特征。第一基本技术特征在于，存在位于与联接轴的联接相反的基部处的弹性隔膜，所述弹性隔膜位于所述位置中，因为所述弹性隔膜将因此允许吸收存在于管状壳体的外侧上的压力并将存在于管状壳体的外侧上的压力传递至所述发电机元件内。

第二基本技术特征在于，发电机元件包括下述防冻剂液体：该防冻剂液体还可以具有冷却和润滑性能且该防冻剂液体位于由管状壳体和定子所限定的空间中，因此转子旋转所绕的联接轴至少部分地被所述防冻剂流体覆盖，从而除了防止可能损坏整个设备的不需要的热梯度之外还防止了位于所述发电机元件内的运动元件的咬粘和老化。

因此，本发明的涡轮发电机装置对象具有物理实体，该物理实体允许极佳地安装涡轮发电机装置对象，因为现有技术状况中已知的上述液力涡轮机中的一个或更多个液力涡轮机所安装于的普通网络的旁路考虑到涡轮机和发电机元件二者以一个接一个的方式联接在筒形管内，其中，所述联接优选地沿轴向执行，从而占用非常小的空间使得筒形管具有由涡轮机的最大部分或者由发电机元件的最大部分所限定的流体通过部分。从这个方面来说，并且优选地关于所述轴向联接，设想到下述选项：在该选项中，管状壳体通过平行于联接轴的多个紧固杆轴向联接至涡轮机，并且所述紧固杆构造成用于一旦流体已经从涡轮机排出则允许流体流通通过所述紧固杆，使得一旦所述紧固杆已经被围绕，则流体将在其中容纳发电机元件的管状壳体的周围流动并且该流体将通过筒形管的出口排出。

必须指出的是，筒形管本身在使用期间可以如同管道那样起作用，即水力网络的分支连接/联接至筒形管的入口和出口，或者筒形管本身还可以如同被容置在水力管道内的单独的装置那样起作用，后面这个情况对于利用流体的所有的机械能而言是不利的并且因此后面这种情况不是优选的使用选项。

从这个方面来说，下面将对用于安装本发明的涡轮发电机装置对象的优选方法进行描述，其中，所述液力设备包括用于流体通过的至少一个主管道，使得所述装置相对应所述主管道并联安装，所述主管道包括两个导管：入口导管，该入口导管从主管道至定位有涡轮发电机单元的筒形管的入口；以及出口导管，该出口导管从定位有涡轮发电机单元的所述筒形管至主管道。因此，当主管道中存在过多量时，流体可以然后通过旁路流通，直到到达容置有涡轮发电机单元的筒形管为止，从而将流体的机械能转化为用于消耗的电能或注入到现存电网中的电能。由于流体不必始终通过筒形管流通并且由于弹性隔膜，因此发电机元件不会遭受或经历由流体因该流体通过上述筒形管的内侧产生的初始冲击所造成的过大的压力，并且也不会使发电机元件因为容置在发电机元件中的防冻剂流体所导致的老化。

接着，必须指出的是，本发明的涡轮发电机装置对象可以具有两个相反的功能，即：

a)与用于通过所述涡轮发电机装置产生电能的方法相关联的第一功能，其中，一旦一定量的流体在筒形管内流通，则该方法包括以下同时发生的步骤：

a)涡轮机因流体的机械能而操作成将所述流体的机械能转化为旋转机械能；

b)联接轴在涡轮机与发电机元件之间旋转，从而将旋转机械能从涡轮机传递至发电机元件；并且

c)转子相对于定子旋转，转子和定子二者都属于所述发电机元件，并且将旋转能转化为电能。所述方法是优选的使用方法。

b)与用于通过涡轮发电机装置泵送流体的方法相关联的第二功能，其中，一旦筒形管内至少在定位有涡轮机的点处填满有流体，则该方法包括以下同时发生的步骤：

a)电能被供给至发电机元件，从而将电能转化为在所述发电机元件的转子上的旋转机械能；

b)联接轴在涡轮机与发电机元件之间旋转，从而将旋转机械能从发电机元件传递至涡轮机；并且

c)涡轮机因联接轴的旋转机械能而操作，从而将所述机械能转化为关于流体的机械能。

因此，可以观察到的是，涡轮发电机装置如同能够将流体泵送至不同位置处的可逆机械那样起作用，参见例如用于对蓄水层补水的可逆机械，其中，所述蓄水层因为通过所描述的涡轮发电机装置泵送至所述蓄水层的流体而可以被供给流体，要考虑到的是，对于涡轮发电机装置的安装所需要的最小空间以及涡轮发电机装置的吸收过大压力的能力和承受非常低的工作温度的能力。

关于承受低温且不会使涡轮发电机装置的零部件中的任何零部件老化的能力，本发明描述了优选选项，其中，联接轴的位于管状壳体内的至少一部分包括多个叶片，所述多个叶片构造成用于使防冻剂液体沿着所述管状壳体的内侧循环。因此，防冻剂液体被设置成与在涡轮机与发电机元件之间旋转的联接轴一起运动，从而吸收该轴的旋转机械能的部分，但是这对于相关联的发电机元件的能量转换率而言是不显著的。

关于确保允许涡轮机的轴与位于发电机元件内的转子的轴一体旋转的联接的方式，本发明设想到防漏管状壳体的可能性，该防漏管状壳体包括：

-支承件，该支承件在定位有用于使联接轴通过的孔的基部处，该支承件具有机械封闭部，该机械封闭部构造成用于防止在管状壳体内的防冻剂液体与所述壳体外的流通流体之间进行流体转移；以及

-自由操作的支承件，该支承件在定位有弹性隔膜的基部处，该自由操作的支承件构造成用于允许联接轴相对于所述支承件自由旋转。

因此，这是容易实施的解决方案，因为不需要任何类型的轮装置来确保连续的旋转并且不会使联接至所述联接轴的运动零部件老化；并且其中，位于联接轴的端部中的一个端部处的支承件是自由旋转的支承件，并且位于联接轴延伸至涡轮机的相反端部处的支承件具有机械封闭部，该机械封闭部防止流体、尤其是防冻剂流体从外部进入到管状壳体容置部中。

必须阐明的是，即使联接轴始终被描述为存在于涡轮机与发电机元件之间，但是所述描述设想到下述选项：其中，涡轮机具有第一旋转轴，发电机元件具有第二旋转轴，并且涡轮机和发电机元件二者通过直接或间接联接件而机械地联接。因此，涡轮机的轴和发电机元件的轴可以通过万向节式联接件或类似联接件而同轴或平行或以不同角度定向。

同样地，然后关于确保形成本发明的涡轮发电机装置对象的主要实体的正确操作，本发明描述了涡轮机壳体内的防冻剂流体如何不应与转子相接触，由此以便不会损坏涡轮发电机装置的结构或减少涡轮发电机装置的能量转换率。从这个方面来说，本发明描述了管状壳体如何可以又包括凸缘，该凸缘设置有联接至定子的机械封闭部，其中，所述凸缘构造成用于防止防冻剂液体通向转子，并且因此，确保了防冻剂流体不被转移到发电机元件中。

要特别注意的是，流体流如何流通通过筒形管的内侧，本发明描述了下述优选选项：其中，所述筒形管包括：

-渐扩部分，该渐扩部分位于流体进入涡轮机的端部处，所述涡轮机被容置在该渐扩部分处；以及

-会聚部分，该会聚部分位于流体在通过所述涡轮发电机单元之后排出的端部处。因此，流被转向并且流体的扩张被用于该流体随后进入到涡轮机中、以及被用于因筒形管的出口沿主管道的旁路的方向会聚致使流体流在筒形管的出口处的加速。

关于如何确保筒形管内的压力分布，本发明描述了本发明的下述装置对象的可能性：该装置包括定位在涡轮发电机单元的后面的压力平衡阀，使得该压力平衡阀可以随着使用者愿望而打开或关闭、并且/或者通过与一个或更多个压力计相关联的内部程序而打开或关闭。

同样地，又为了对进入到筒形管中的流体通路进行调节，本发明设想了优选选项，其中，所述装置另外包括：

-位于涡轮发电机单元的上游的截止阀；以及

-位于涡轮发电机单元的下游的截止阀。

因此，可以对与本发明的装置对象相关联的控制系统的特定操作环境进行描述，其中：

-如果速率q低于涡轮发电机的最小涡轮机排放速率，则截止阀和平衡阀将被关闭。

-如果速率q高于最小涡轮机排放速率且低于机器设计速率，则截止阀将完全打开，并且平衡阀部分地打开，这取决于流通流的大小。

-如果速率q等于涡轮机设计速率，则所有的阀将完全打开。

-如果速率q高于设计速率，则所有的阀将完全打开，并且过量的流将流通通过平衡阀。

最终，又与涡轮发电机装置的安装相关联的，本发明描述了下述选项：其中，所述装置包括位于涡轮发电机单元上游的固体过滤器，固体过滤器的目的是防止在涡轮机中包含大的固体，大的固体可能损坏涡轮机的结构并且妨碍正确操作。

因此，通过所提出的发明获得了一种用于产生电能的涡轮发电机装置，所述涡轮发电机装置最佳用于使用在液力设备中，而不占用大量空间或需要对于安装和调试的大幅投资，该涡轮发电机装置可以从外部以快速且有效的方式进行控制并且该涡轮发电机装置确保高可靠性，因为该涡轮发电机装置是由下述元件形成的：所述元件确保了涡轮发电机装置的防漏性和涡轮发电机装置的承受过大压力及以低温操作的能力。前述内容是通过由彼此配合运转以确保最大可能的能量产率和利用率的简单的实体所形成的装置而实现的，并且前述内容相对于现今已知的技术状况是新颖的。

附图说明

为了对将要进行的描述进行补充并且为了有助于根据本发明的优选实践实施方式来更好地理解本发明的特征的目的，附有一组附图作为所述描述的一体部分，其中，以下附图已经以说明性的且非限制性的意义被描述：

图1示出了本发明的用于产生电能的涡轮发电机装置对象的二维截面图，其中，可以看到涡轮发电机装置的主要实体和位于所述主要实体之间的联接件；

图2示出了其中本发明的用于产生电能的涡轮发电机装置对象相对于主水力管道并联安装的二维示意图；

图3示出了与图2类似的三维视图，其中，可以看到布置在属于本发明的用于产生电能的涡轮发电机装置对象的筒形管的外部的实体。

具体实施方式

在图1的视图中，可以看到本发明的用于产生电能的涡轮发电机装置对象是怎样的，该涡轮发电机装置包括：

-筒形管1，该筒形管1在其端部处敞开并且该筒形管1构造成用于允许一定量的流体通过该筒形管；

-液力涡轮机2，该液力涡轮机2通过联接轴3轴向地且机械地联接到发电机元件，其中，相应的元件被容置在所述筒形管1内并且被限定为涡轮发电机单元，并且其中，所述涡轮发电机单元构造成用于将流体的机械能转化为电能，使得涡轮机2和发电机元件通过上述联接轴3轴向联接至彼此，所述轴是由以下两个轴形成的：用于涡轮机2的一个轴和用于发电机元件的另一个轴，并且所述联接是通过旋拧到一起的相应的凸缘而进行的直接联接，由于发电机元件和涡轮机2二者相对于彼此轴向对准并且被引入到筒形管1中因而占用小空间。

另外，在所述图1中可以看到，轴向联接至涡轮机2的发电机元件如何包括防漏管状壳体4，该防漏管状壳体4相对于筒形管1内的流通流体是防漏的，其中，所述壳体4在其中包括：

-转子5和定子6，该转子5联接至所述联接轴3，该定子6完全地围绕所述转子5，其中，所述壳体4具有两个基部：两个基部中的一个基部包括用于使联接轴3通向涡轮机2的孔，并且另一基部包括弹性隔膜7，该弹性隔膜7构造成用于将来自管状壳体4的外部的压力吸收至管状壳体4内；以及

-限定在定子6与防漏管状壳体4的内表面之间的空间，其中，所述空间容纳防冻剂液体14，使得定子被保护免受可能妨碍定子正常操作的低温，并且因此使得整个发电机元件被保护免受可能妨碍整个发电机元件正常操作的低温。

同样地，可以看到，在筒形管1内防漏管状壳体4是怎样的，该防漏管状壳体4包括：

-支承件8，该支承件8在定位有用于使联接轴3通过的孔的基部处，该支承件8具有机械封闭部，该机械封闭部构造成用于防止在管状壳体4内的防冻剂液体14与所述壳体4外的流通流体之间进行流体转移；以及

-自由操作的支承件9，该支承件9在定位有弹性隔膜7的基部处，该自由操作的支承件9构造成用于允许联接轴3相对于所述支承件9自由旋转，其中，在所述自由操作的支承件9中看到联接轴3的自由端部中的一个自由端部，另一自由端部联接至涡轮机2。

此外，为了还防止防冻剂流体转移至转子5，在图1中还可以看到管状壳体4如何又包括凸缘10，凸缘10设置有联接至定子6的机械封闭部，从而以有效且可靠的方式确保了相应的零部件之间的防漏性。此外，即使因此未示出，本发明还描述了与联接轴3的位于管状壳体4内的相对应的部分是如何包括多个叶片，所述多个叶片构造成用于使防冻剂液体14在整个所述管状壳体4的内部循环，防冻剂因此处于运动中以防止所述管状壳体4内的不需要的温度梯度。

关于发电机元件是如何联接至涡轮机2的，可以看到，其中容纳有发电机元件的管状壳体4是如何通过平行于联接轴3的多个紧固杆16联接至涡轮机2的；因此，一旦流体通过涡轮机2，则流体可以继续流通且流动通过上述紧固杆16、围绕管状壳体4、并且通过筒形管1的相应的出口从该筒形管排出，其中，如上面所指明的，涡轮机2和管状壳体4相对于筒形管1的轴线对中，并且其中，由于从涡轮机1排出的流体以及由于被布置在涡轮机后面且与涡轮机对准的管状壳体4，因此不会产生因管状壳体4的冲击所导致的流体的不需要的大的循环流。

接下来，在图2和图3的视图中，可以看到，本发明的涡轮发电机装置对象是如何被安装和调试的，因为这两个附图示出了主管道15，从主管道15出现两个旁路：通向涡轮发电机装置的筒形管1的入口导管15a，以及从所述筒形管回到主管道15的出口导管15b。

因此，可以对用于将涡轮发电机装置安装在液力设备中的方法进行描述，其中，所述液力设备包括用于使流体通过的上述主管道15，使得该装置相对于所述主管道15并联安装，所述主管道15包括两个导管：入口导管15a，该入口导管15a从主管道15至定位有涡轮发电机单元的筒形管1的入口；以及出口导管15b，该出口导管15b从定位有涡轮发电机单元的所述筒形管1至主管道15。

此外，这两个附图示出了与旁路和该装置本身相关联的以下液力元件的存在：

-压力平衡阀11，该压力平衡阀11位于涡轮发电机单元的后面，该压力平衡阀11的目的是对筒形管1内的空气通过和压力分布进行调节；

-截止阀12，该截止阀12位于涡轮发电机单元的上游；

-截止阀13，该截止阀13位于涡轮发电机单元的下游，其中，所述阀12、13二者都构造成允许检修以及流通通过主管道15的流体的非平行旁通；以及

-固体过滤器14，该固体过滤器14位于涡轮发电机单元的上游。

考虑到本描述和所述一组附图，本领域的技术人员将理解的是，已经描述的本发明的各实施方式可以在本发明的目的内以多种方式进行组合。已经根据本发明的若干优选实施方式描述了本发明，但是对于本领域的技术人员而言，将明显的是，在不超出所要求保护的发明的目的的情况下，多种变型可以被引入到所述优选实施方式中。