一种无轴螺轮发电装置制造方法
【专利摘要】本发明是涉及一种无轴螺轮发电装置，它能够将原动力转化成电能，且转化效率比传统的蒸汽机组、汽轮机组、水轮机组、涡轮机组提高很多，同时弥补现有技术缺陷，如：轮机喘振、轴磨损。它是改进了原动力的作用点、力的作用路线、力的传递方式和改进发电结构以及控制系统组成，即利用轴向推力转径向转子(2)旋转力的螺旋原理，并将转子嵌入在壳体(6)空心的轴向感应单元中心，这样也使整个发电空间体积缩小、用材减少、和维护工作量降低，以及自动控制能够快速反应。同时具有无轴接、无泄漏、自刹车、可扩展、免维护、长寿命的特点。这里的原动力不仅限于包括水能、风能、海洋能、燃烧的热能、以及核反应的热能。
【专利说明】一种无轴螺轮发电装置
所属【技术领域】
[0001]本发明型专利是涉及一种无轴螺轮发电装置，它能够将原动力转化成电能，转化效率比传统的蒸汽机组、汽轮机组、水轮机组、涡轮机组提高很多，同时弥补现有发电技术的其它缺陷，如:轴磨损、轮机喘振。它是通过改进原动力的作用点、力的作用路线、力的传递方式和改进发电结构以及控制系统组成实现的，即利用原动力轴向压力驱动螺旋轮转子(简称螺轮)旋转的螺旋原理，并将转子嵌入在空心的轴向感应单元中心，同时也使得整个发电空间体积缩小、用材减少、和维护工作量降低，以及自动控制快速反应的目的。这里的原动力不仅限于包括水能、风能、海洋能、太阳热能、燃烧的热能、核反应的热能。
【背景技术】
[0002]目前，发电领域从最初的蒸汽机组、水轮机组，到汽轮机组，再到涡轮机组，都是在不断追求高效的能量转化为目标，尽管发电效率都在不同程度地有所提升，但是提升比例较小，最高的整体效率也没有超过51 %。而且现有技术带来的连带缺陷，也在日益泛滥，如:轮轴的泄露导致发电机损坏，轴磨损严重导致辅助维护增加运行效率下降，运行噪音严重超过人体职业健康标准。
[0003]蒸汽机带动曲轴通过活塞往复驱动离心轮子发电，其曲轴磨损增加了原动力损耗，而且活塞内壁磨损也很严重，导致原动力损耗。
[0004]水轮机、汽轮机带动中心大轴旋转驱动发电机发电时，传递能量的大轴与轴封之间有一定的正常转动间隙，这本身就是泄露损失了一部分原动力。再经过运行过程的轴磨擦，轴封则逐渐被磨损，导致间隙再次加大，泄露再次加大，即原动力损耗继续加大。而且当轴和轴封间隙变大后，泄露的原动力冲击破坏其附近的轴承，受到严重的轴向力冲击后该轴承间隙和摆度逐渐增大，从而又增加了轴磨损，如此恶性循环，导致原动力的损耗比例持续增加。
[0005]汽轮机、涡轮机工作时，由于轴的偏心和摩擦会发出很高的噪音。特别是汽轮机正常工作时，在机房里整体噪音会超过100分贝，有些甚至达到115分贝，为了减少对长期工作人员职业健康的损害，经常采取增添很庞大的隔音设施。
[0006]汽轮机轴和轴承担负了整个汽轮的自重、惯性偏心力，所以轴系统异常时轴温度高达95°C以上，以致破坏其辅助部件。即便正常工作，也在77?85°C之间，即室温增高。也因大轴较长，整个负重集中到这个中心，即便出现微量形变也会导致偏心。
[0007]汽轮机发电时，其叶片经常受到高压气体里面的落水击打背面，气嘴吹转过来后，在背面再次击打，反复几次，日积月累就会导致叶片根部裂缝，严重时就会导致叶片断裂，整个设备瘫痪。由于汽轮机和发电机组分别位于不同的区域，所以后端遇到通道故障时就无法及时向前端反馈，导致汽轮机前端的压气机喘振，从而引发系统故障。受到最大面积高压蒸汽的大轴由于线速度最小，长期工作会堆积热垢，导致轴摩擦增大和通道变窄，于是产生原动力损耗，严重时引发机器故障。
[0008]风力涡轮机发电技术，除了有轴损耗外，还有经常面临喘振危害，通常因喘振产生大幅度的震动，导致叶片根部裂缝，反复喘振严重时就会导致叶片断裂，整个设备瘫痪。而且，当风力达到一定级别时，叶片的远端切线分量也在增加，轴磨损更加增大，原动力损耗加大，可是转速不再提高，而且若风速再在增加，叶片的固有扭曲力被破坏裂缝，甚至断裂，转速迅速下降，发电机无法正常进行，即系统故障。风力面积在直径5米以下，由于风力的弱小和不稳定以及轴磨损能量消耗，通常发电机几乎没有电流输出。只有在很大的涡旋面积下，才有电功率输出，但这样对地面气候和生态带来破坏。
[0009]水轮机发电时，除了有轴磨损外，由于叶轮的边沿效应，即叶片远端外沿的离心力加大了泥砂和内壁的摩擦，即原动力损耗加大。同时，增加了叶片的根部扭力，严重时，叶片根部裂缝或断裂，引发设备瘫痪。水下软体异物进入水轮后，经常缠绕叶片和主轴，即增加阻力消耗原动力，严重时引发系统故障。当水封被特大的轴向力磨损后，很短时间可导致发电机机组浸水烧毁，严重时导致机房被水淹。当采用离心式结构时，原动力对涡轮叶片撞击后产生损耗，而且在离心作用下发生切线分量做无用功。由于叶片根部宽度小于叶片远端宽度，再遇到反水锤时，叶片容易瞬间损伤或折断。
[0010]特斯拉涡轮技术，尽管是由一组光滑圆盘替代叶片，解决了汽轮机叶片经常受水击的异常，但是它同样需要圆盘中心的轴传递能量，依然有轴间隙和轴磨损缺陷。
[0011]现有发明(专利号201010595601.3)无轴海流涡轮发电机，它包括外壳单元和涡轮驱动单元；所述的外壳单元内设有相互配合的发电机定子单元和发电机转子单元，其特征在于:所述的外壳单元包括呈中空筒状的外壳；所述的涡轮驱动单元位于外壳内，所述的发电机转子单元固定安装在涡轮驱动单元上；所述的涡轮驱动单元与发电机定子单元之间经约束平衡单元配合连接。将发电机转子直接安装在该驱动部分(涡轮驱动单元)上，通过约束平衡单元实现驱动部分与发电机定子之间的连接限位，实现发电机定子和发电机转子配合工作发电，巧妙的将提供动力的驱动部分设置为与发电机为一个整体，就形成了无轴系设计结构，避免了采用复杂轴系所带来的轴系振动问题、平衡问题以及磨损等问题。但是没有改变涡轮叶片的受力点，和发电机结构，即没有解决叶片损坏和原动力损失的缺陷。
【发明内容】
[0012]为了弥补现有发电技术缺陷，本发明是涉及一种无轴螺轮发电装置，它能够将原动力转化成电能，且转化效率比传统的蒸汽机组、汽轮机组、水轮机组、涡轮机组提高很多，同时弥补现有技术缺陷，如:轮机喘振、轴磨损。它是改进了原动力的作用点，力的作用路线，力的传递方式和改进发电结构以及控制系统组成，即利用轴向推力转径向转子旋转力的螺旋原理，并将转子嵌入在空心的轴向感应单元中心，这样也使整个发电空间体积缩小、用材减少、和维护工作量降低，以及快速反应自动控制的目的。同时具有无轴接、无泄漏、自刹车、可扩展、免维护、长寿命的特点。这里的原动力不仅限于包括水能、风能、海洋能、燃烧的热能、以及核反应的热能。其主要结构特征如下:
[0013]1、一种无轴螺轮发电装置结构特征在于:至少包括，整体呈圆形管状，在轴向中心位置前后有圆形空心通孔和孔四周密封的壳体出)，在转子(2)轴向中心前后有空心的圆形通孔，用于接受原动力的螺旋轮(I)固定在转子通孔内壁位置，感应单元(5)嵌入在密封式的壳体里，以感应转子外壁(3)达到产生感生电流的目的，且转子通过前后两个轴承(4)固定在壳体的输入口(8)和输出口(9)的中心孔位置。[0014]2、螺旋轮(1.1、1.2)，其结构特征在于:至少包括，一螺旋轮导程(L)大于感应单元轴向长度，二螺距(D)小于螺旋轮导程减去2倍的根部厚度(T)，即D < L-2T，三螺旋轮的轮数至少I轮，四多轮的径向扇角角度相加之和至少大于2 π，五轮的被推面与转子横截面的夹角(G)大于O度而小于90度。
[0015]3、转子外壁(3)结构特征在于:至少包括，一有固定装置在真空密闭非导磁套里保护的磁极，且径向分布至少I对N和S极，或者是感应式结构电机可被感应电流产生的导电材料，或有装在密闭非导磁套里配合无刷励磁的辅助部件，二在感应单元区域外固定装有前凸环(11)和后凸环(12)，三在前端固定径向滑动的前弹垫(22)内端，后端固定径向滑动的后弹垫(13)内端，四两端固定在轴承的内圈里。
[0016]4、壳体结构特征在于:至少包括，一中心通孔材质采用非导磁性材料，即铁或感磁性以外的材料，一体化浇铸或紧固件配合密封成壳状，二在壳体内部有多个感应温度、湿度、压力、转子速度的传感器(10)，三在壳体中心通孔以外处有信号数据线和电能输出线组成的多功能接口(7)，四在壳体中心通孔位置处的内壁厚度小于感应单元的电磁线圈和转子磁力线的有效半径，五固定装有有多组高速转盘(15)，六固定装有能够使转子和高速转盘相互带动的耦合单元(14)，七中心通孔两端附近固定连接着前弹垫外端和后弹垫外端，八靠近轴向中心有适应高温的抽真空和隔热措施，以防止壳体里所有单元部件来自原动力环境的热损坏。
[0017]5、感应单元结构特征在于:至少包括，一在中心孔的周围固定有电磁线圈绕组，二固定有用于无刷励磁发电的电磁线圈，三固定有电力闸刀直接和该电磁线圈串接，四固定有传感系统，即能够感知自身的温度、湿度、压力和异常信息的感应器。
[0018]6、螺旋轮与转子内壁连接结构特征在于:至少包括，一浇铸一体化，二嵌入式铆接，三焊接，四冷热紧配合。
[0019]7、前凸环和后凸环结构特征在于:一与多组耦合单元前后对应，二前凸环与耦合单元滑动接触的摩擦力既能达到刹车，也能带动配合耦合单元驱动高速转盘，三后凸环的摩擦系数小于前凸环，以保证高速转盘有效地带动转子释放能量。
[0020]8、耦合单元结构特征在于:一有不同的齿轮组相互配合，二与前凸环和后凸环配合有一定的动态平衡间隙，三有保证前凸环和后凸环滑动接触摩擦力的润滑系统，四只有前凸环或后凸环滑动接触后才可以在摩擦力的作用下带动负载。
[0021]9、用于支撑转子和壳体的轴承结构特征在于:至少包括，一径向间隙控制在容积泄压允许范围内，二上下保护滚珠端盖的径向两圈间隙控制在容积泄压允许范围内，且该端盖可以承受轴向2倍以上额定推力而不脱落，三内圈和外圈有一定的轴向位移量。
[0022]10、前弹垫和后弹垫结构特征在于:一前弹垫和后弹垫都是侧面密闭前后通透的环形，且和转子接触两端具有一定径向自由滑动的摩擦系数，二后弹垫的轴向弹力大于前弹垫轴向弹力，以保证转子在启动静止位置时滑动接触到后凸环而没有接触到前凸环，三在原动力轴向推力、所有摩擦力、所有重力、所有弹力的合力F作用下，前弹垫和后弹垫可以使转子轨迹S位移保持在动态平衡运行段位置(O附近)，且结合轨迹S与合力F函数图像实现动态平衡过程如下:
[0023]先假定转子位移轨迹S就在动态平衡区，即O点附件运动，且前凸环后凸环后都没有接触到稱合单元。当前端原动力驱动螺旋轮超过额定转速转动时，轴向合力分量F增加，打破了动态平衡运行段2b内，使转子从原来的O附近向+b移动，抵达+b后即与前凸环滑动接触，使耦合单元将转子的转速惯量带动高速转盘储能，同时由于滑动接触具有一定的摩擦力，即使转子自动起到刹车作用。当运行到+a时，储能完成，即等同于抵达再启动静止点_a。此时转子和后凸环滑动接触，原动力被强制关闭轴向推力消失，合力分量F改变方向，由最大的前弹垫和后弹垫的弹力合力替代，而且高速转盘由耦合单元带动转子继续转动，即释放能量，直到释放完毕。当正常启动后，合力F再次改变方向，轴向推力逐渐替代克服弹力合力，前凸环逐渐离开耦合单元，转子开始从_a向_b点移动，到达_b时，此时耦合单元完全离开前凸环，轴向推力远远大于弹力合力，使转子二次进入动态平衡区。
[0024]+a:刹车结束位移点
[0025]+b:动态平衡位移起点
[0026]
[0027]O:合力F最小位移点
[0028]-a:启动静止位移点
[0029]-b:动态平衡位移反向位移起点
[0030]F与S的函数图像
[0031]本发明产品结构特征还包括如下内容:
[0032]1、支撑螺旋轮正常转动的轴承，固定在螺旋轮转子外径上，所以其内径较大，即承受的转子和螺旋轮自身重力可以最大面积地被分布在轴承各个结合点上，因此，支撑受力压强比传统结构轴承降低，从而机械磨损降低。尽管该轴承的静态摩擦力比传统结构较大，但由于其体积分布较大，即自身磨损产生的热量无法堆积，因此温升较低。
[0033]2、进入螺旋轮的轴向原动力，通过受力螺旋轮面转化到径向旋转，其轴向力的分量很小，形成的客观位移很小，但这个正态分布的位移可作为探测转子超额运转时的耦合点，通过此位移的计算可以给启动刹车和回复时间提供依据，同时为维持额定转速时的轴向弹垫弹力提供依据。
[0034]3、壳体中有直接感知来自螺旋轮的实际运行姿态、温度、湿度、压力和速度的非接触传感系统，并及时将这些信息反馈给控制系统，以便计算机分析处理，确保运行一直处于被控制状态。
[0035]4、感应单元中有感知实际温度、湿度、压力和各类异常信息的传感系统，并及时将这些信息反馈给控制系统，以便计算机分析处理，确保运行一直处于被控制状态。
[0036]5、感应单元的定子线圈和转子的能量转换，遵循感应型发电机原理，和直流无刷发电机原理、高效永磁发电机原理、无刷励磁同步发电机原理。
[0037]6、螺旋轮外壁上有适应不同环境的结构，即有抽真空的非导磁套，固定装有以耐高温的导线组成的闭合线圈作为转子，可以适应380°C以上原动力环境；若固定以永磁材料组成的转子，可以适应自然风和水流的原动力环境。
[0038]7、壳体内有高速转盘(俗称机械电池)，采用机械式直接储存机械能量。即当耦合单元与转子外壁前凸环接触可带动自身高速运转储能，再利用后凸环与转子外壁的后凸环滑动接触带动转子转动释放自身能量。
[0039]8、在原动力处于不稳定状态时，除了维持前端动态平衡外，在必要时发电机直接输出功率还需通过蓄电池贮存，以确保上电力网前的稳定输出。[0040]9、原动力水中的软体异物，进入螺旋轮后，不会像传统叶片那样被缠绕，而是直接被转动的惯量和原动力的压力从输出口排出。
[0041]10、当前端有超额定转速的原动力持续一定时间的异常时，则壳体内部检测系统立即传递该信息到控制系统，则控制系统瞬时输出关机指令给原动力控制终端，以保护后端，直到异常结束。
[0042]11、当后端输出电流负载出现异常或短路时，控制系统的切断指令传递给感应单元里的电力闸刀，可以瞬间切断感应电流的输出，以保护定子感应线圈不被烧毁。但当后端故障排除后，该闸刀可自动恢复正常。
[0043]12、针对较大可控的原动力，可以连续串联连接，而且通道之间的连接缝隙无需考虑动摩擦，直到泄压后的原动力无法再利用为止。
[0044]13、风力做原动力时，利用前端的动态平衡保证较高效率的电功率输出，即可在低空采集忽高忽低的风能原动力。
[0045]14、风力做原动力时，为捕获高空风能，可采取垂直安装本发明产品使气流从上进入从下出来，并在其正上方较高处树立一定高度的风墙，使气流从水平截获沿垂直夹角下行方向积累后进入地面的螺旋轮输入口。由于壳体全密闭没有雨水渗进的可能，所以不会导致电气损坏。而且落下来的风力或雨水经过累计后会增加原动力，即提高螺旋轮的转化效率，无需传统风电齿轮变换系统，同时也可避免转子和螺旋轮自身重力对轴向的偏心影响。
[0046]15、蒸汽做原动力时，采用垂直安装本发明产品，使蒸汽流从上进入从下出来，这样高压气体中的水滴因重力和气体压力的合力而增加向下流动速度，也可利用其重力驱动螺旋轮，也可减少其对风道变窄的影响，同时也可避免转子和螺旋轮自身重力对轴向的偏心影响。
[0047]16、水流做原动力时，采用垂直安装本发明产品，使水流从上进入从下出来，可增加水流自身重力对螺旋轮的驱动，同时也可避免转子和螺旋轮自身重力对轴向的偏心影响。
[0048]17、螺旋轮的旋转方向和直径可以和螺旋导流水槽匹配，这样自动提高了水力环境原动力的能量密度，以达到提高发电效率。
[0049]18、螺旋轮可以利用深水区漩涡能量，自动增加原动力密度，以提高发电效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0050]图1:本发明产品结构卧式立体示意图
[0051]注解:
[0052]1.1、螺旋轮
[0053]2、转子
[0054]4、轴承
[0055]6、壳体
[0056]7、多功能口
[0057]8、输入口
[0058]图2:本发明产品轴向剖面图[0059]注解:
[0060]1、螺旋轮
[0061]2、转子
[0062]3、转子外壁
[0063]4、轴承
[0064]5、感应单元壳体
[0065]6、壳体
[0066]7、多功能接口
[0067]8、输入口
[0068]9、输出口
[0069]10、传感器
[0070]11、前凸环
[0071]12、后凸环
[0072]13、前弹垫
[0073]14、耦合单元
[0074]15、高速转盘
[0075]22、后弹垫
[0076]图3:本发明产品感应线圈段径向A-A截面示意图
[0077]注解:
[0078]1、螺旋轮
[0079]2、转子
[0080]3、转子外壁
[0081]5、感应单元
[0082]6、壳体
[0083]图4:本发明产品高速转盘段径向B-B截面示意图
[0084]注解:
[0085]1、螺旋轮
[0086]2、转子
[0087]6、壳体
[0088]14、耦合单元
[0089]15、高速转盘
[0090]图5:本发明产品中螺旋轮的轴向剖面图
[0091]注解:
[0092]1.1、螺旋轮 I
[0093]1.2、螺旋轮 2
[0094]L:螺旋轮的导程，即转子的长度，也等效为感应电磁线圈的长度，由于高速转盘组的轴向长度很小，可以忽略不计。
[0095]D:螺距，即螺旋之间的间距
[0096]T:螺旋轮的单轮厚度[0097]G:螺旋轮上升夹角，即轮的受力被推面与转子横截面的夹角
[0098]Φ:螺旋轮的直径
[0099]图6:本发明产品中螺旋轮，左是径向截面图，右是一轮单圈立体示意图
[0100]注解:
[0101]H:螺旋轮的高度
[0102]K:螺旋轮刃部宽度
[0103]T:螺旋轮的厚度
[0104]Φ:螺旋轮的直径，Φ≤2H
[0105]图7:本发明产品立式安装剖面图
[0106]注解:
[0107]8、输入口
[0108]9、输出口
[0109]16、水平固定单元
[0110]17、本发明产品
[0111]图8:本发明产品风力发电安装图，其中左图是加装风墙立体图，右图是加装风墙轴向剖面图。
[0112]注解:
[0113]8、输入口
[0114]9、输出口
[0115]16、轨道连接单元
[0116]17、本发明产品
[0117]18、迎风面
[0118]19、背风面
[0119]20、导航风向标
[0120]Q:风墙垂直夹角
[0121]图9:本发明产品风力发电安装鸟瞻图
[0122]注解:
[0123]8、输入口
[0124]18、迎风面
[0125]19、背风面
[0126]20、导航风向标
[0127]21、轨道
[0128]图10:本发明产品电气原理框图
[0129]1、螺旋轮:包括转子硅钢片、连接固定件、螺旋轮固定件。
[0130]2、转子的磁极或感应线圈:即原动力在常温下用永磁材料径向分布至少一对，原动力在高温下用金属成条形两端焊接，即鼠笼状。也包括有密闭而非导磁的套筒里装有配合无刷励磁结构的辅助部件。
[0131]3、定子的感应线圈/励磁线圈:包括励磁电磁线圈绕组、电力闸刀、自身的传感器系统。[0132]4、传感器:即包括传感器系统单元。
[0133]5、原动力控制端:即能够接受控制信号和关闭打开原动力的系统。
[0134]6、整流/逆变/蓄电/控制系统:包括与无刷直流发电机定子匹配的逆变电路，感生电流的整流,蓄电单元和可独立工作的控制系统，向感应单元里提供各种电源。
[0135]7、电力网:包括公共电力平台，和独立可以分配的电力网络。
[0136]图11:本发明产品动态平衡合力F与位移S坐标图像 +a:刹车结束位移点 +b:动态平衡位移起点
O:合力F最小位移点
-a:启动静止位移点
-b:动态平衡位移反向位移起点
【具体实施方式】
下面结合附图对实施本发明产品的进一步说明。
[0137]依照附图10的原理框图，本发明涉及产品正常情况下，原动力从输入口(8)进入，带动螺旋轮(I)径向转动，由于螺旋轮是固定嵌入在转子(2)内壁里，于是同步转动。转子外壁(3)自身具有磁力或感生的磁力，依据右手法则，通过感应方式，穿透非导磁材料使壳体内固定着的感应单元(5)线圈瞬间得到感生电流，该电流从壳体(6)的多功能接口(7)输出，经过整流和储存积累后，就可以传递给电力网，不能再利用的原动力从螺旋轮输出口
(9)排出。同时，在整流块中有控制系统，以随时通过传感器监控和管理整个发电过程，以确保其按照预期的程序进行。若壳体里面或螺旋轮转子出现异常，分布在不同区域的传感器(10)即刻传递信息给控制系统，有控制系统综合判定后发出相应的指令，以达到排除异常或调整相关动作，保证回复到原来状态继续工作。
[0138]当前端有超过额定转速的原动力异常时，轴向力瞬时增加，转子位移量超过预先设定的正态分布位移点，前凸环(11)被接触，即通过耦合单元(14)使高速转盘(15)启动，其效果表现为螺旋轮刹车和高速转盘储能。若该异常持续一定时间后，壳体内部检测系统立即传递该信息到控制系统，则控制系统瞬时输出关机指令给原动力控制终端，直到原动力结束。当前端恢复正常时，即通过轴向前弹垫(22)和后弹垫(13)的弹力合力推至和后凸环(12)接触，转子回到起点。但是，当有超大的原动力异常时，而且持续时间很长，则控制系统也可以考虑传指令给感应单元的电力闸刀，切断后端，防止高电压烧毁后端电气设施。
[0139]另外，螺旋轮的原动力被停车后，后凸环接触耦合单元，即原来储存在高速转盘上的能量沿耦合单元，开始带动螺旋环转动，直到该能量释放完毕，进入静止状态，等待正常启动。或未静止时，前端原动力再次开始输入，转子提前恢复正态分布的位移处。
[0140]若当后端输出电流或负载出现异常或短路时，感应单元里的电力闸刀可以瞬间切断感应电流的输出，以保护壳体里的感应线圈不被烧毁。但当后端故障排除后，该闸刀自动恢复正常。
[0141]为了最大的获取原动力，在保证螺旋轮根部足够的扭力下，其刃部宽度(K)和厚度(T)尽可能小，同时K可小于T，有利于减轻自身重量，也能完全接收正面的原动力。
[0142]为了保证螺旋轮的实际运行磨损导致高度H下降而不影响整体发电效率，则高度H不能仅仅等于螺旋轮半径，即依照原动力不同的环境粘度摩擦系数，保证H ^ Φ/2。[0143]在小功率的原动力场合，可以卧式安装，如附图1所示，因为螺旋轮和转子的自重不会给前后支撑轴(4)带来很大的磨损。而且这个轴承内径较大，所以承载压强较小，接触空气面积很大，所以轴温升也不会升高。
[0144]原动力的不同环境温度，决定采用适当的能量转化过程。常温-40°C?+120°C条件，采用永磁同步发电原理或无刷直流发电机原理，即转子外壁采用永磁材料和启动绕组。在+120°C?+380°C温度条件，采用永磁同步发电机原理或无刷直流发电机原理，即转子外壁有固定装置在真空密闭非导磁套里保护的磁极，且径向分布至少I对N和S极。超过380°C高温条件，采用感应型发电机原理，或无刷励磁发电机原理，即转子外壁用导线做成鼠笼状，和装在密闭非导磁套里配合无刷励磁线圈和整流管辅助部件，以及定子感应单元专门对应的励磁电磁线圈和电源。
[0145]本发明产品在不同的环境下，采取适当的安装方式，可以提高发电效率。如:
[0146]当原动力为高压蒸汽，安装采用进口朝上出口朝下垂直方式，则高压气体中的水滴因重力和气体压力的合力而增加向下流动速度，也可利用其重力驱动螺旋轮，也可减少其对风道变窄的影响，同时也可避免转子和螺旋轮自身重力对轴向的偏心影响。由于蒸汽的压力通常超过2.5MPa，而传统的汽轮机组漏气严重导致在1.0MPa下效率较高，往往需要多级串接。本发明产品可以直接采用轴向螺旋轮多轮数高功率一次满足原动力的吸收与转化，而从二次排出的剩余蒸汽中，可用低轮数的螺旋轮。由于是垂直安装，所以二次蒸汽的水滴成分较高，水重力增加了重力势能，自然增添了原动力的推力，从而增加了发电效率。
[0147]当风力做原动力时，为捕获高空风能，如附图8所示，可采取垂直安装本发明产品使气流从上进入从下出来，并在其正上方较高处树立一定高度的风墙，使气流从水平截获沿垂直夹角方向积累后进入地面的螺旋轮输入口。由于壳体全密闭没有雨水渗进的可能，所以不会导致电气损坏。而且垂直下来的风力或雨水经过累计后会增加原动力，即提高螺旋轮的转化效率，同时也避免了转子和螺旋轮自身重力对轴向的偏心影响。利用前端的动态平衡来保证较高效率的电功率输出，直接在低空采集忽高忽低的风能原动力。
[0148]依据附图8和9，风墙下面有与螺旋轮同心的圆形轨道(21)，遇到不同方向风力后，风墙会自动旋转找准定位方向。由于风墙背风面(19)有连体固定的导航风向标(20)，在风力的作用下，它无法自由静止平衡在风的上游，而是始终被风力推到背风区域，在它的扭力下风墙的背风面就会在轨道连接单元(16)和轨道的自由转动配合下，被强制拉进背风区，即迎风面(18)对着迎风区。而迎风面是凹面，具有收集风力作用，而且风墙是凹面有垂直夹角Q，其为锐角，与螺旋轮同心，于是风力自动朝下流动，积累后进入地面螺旋轮的输入口(8)。为了提高风能的累积量，在不影响地面气候和生态情况下，可以使风墙的高度和迎风面上边宽度增加，而且在不被风力破坏的情况下，尽可能的增加Q角度，但不大于45度。
[0149]依据低洼和凸起不同地貌或建筑群的自然风力走向，可按照附图7垂直方向安装。凸起阳光面和低洼阳光面的高处垂直安装，原动力从下输入到上面输出则发电效率较高；凸起背光面和低洼背光面高处垂直安装，原动力从上输入到下面输出则发电效率较高。
[0150]依照风力帆船区域水面季风的特定风向，在船面靠帆的迎风区域，可按照附图7垂直安装，使原动力从上入下出，则发电效率较高。
[0151]依照峡谷地带的前后风向，可按照附图1，卧式安装，并和地形风力的起伏面平行时，使原动力前进后出，发电效率最高。
[0152]原动力为水流时，可按照附图7垂直方向安装，使水流从上进入从下出来，可增加水流自身重力对螺旋轮的驱动，同时也可避免转子和螺旋轮自身重力对轴向的偏心影响。
[0153]另外，深水库区域，受到科里奥利力(Coriolis force)的影响,原动力大部分情况会自动产生漩涡，当螺旋轮入口的螺旋方向与它同向时(北半球逆时针下，南半球顺时针下，赤道附近不旋转)，即增加了原动力的能量，直接等效增加原动力的推动力，使螺旋轮转速增加从而提高发电效率。但在水坝浅水区域，进入螺旋轮前需要增加和其同方向的“螺旋”导流槽，以提高发电效率。
[0154]依照河道水流自然水平推力方向，可按照附图1，卧式水平安装，使原动力前进后出，则发电效率最高。但在水头高度超过本发明产品的长度时，按照附图7垂直安装，原动力从上进下出，增加了重力势能，则发电效率较高。
[0155]在此已经涉及到的和未来涉及到本发明产品的各种应用，其改进、接近或类似装置，则视为与本发明雷同。也包括联想到类似结构和不同用途而产生的其它结构产品，则也视为与本发明雷同。
【权利要求】
1.一种无轴螺轮发电装置结构特征在于:至少包括，整体呈圆形管状，在轴向中心位置前后有圆形空心通孔和孔四周密封的壳体(6)，在转子(2)轴向中心前后有空心的圆形通孔，用于接受原动力的螺旋轮(1)固定在转子通孔内壁位置，感应单元(5)嵌入在密封式的壳体里，以感应转子外壁⑶达到产生感生电流的目的，且转子通过前后两个轴承⑷固定在壳体的输入口(8)和输出口(9)的中心孔位置。
2.根据权利1所述的一种无轴螺轮发电装置中成型后的螺旋轮(1.1、1.2)，其结构特征在于:至少包括，一螺旋轮导程(L)大于感应单元轴向长度，二螺距(D)小于螺旋轮导程减去2倍的根部厚度(T)，即D < L-2T，三螺旋轮的轮数至少1轮，四多轮的径向扇角角度相加之和至少大于2 π，五轮的被推面与转子横截面的夹角(G)大于O度而小于90度。
3.根据权利1所述的一种无轴螺轮发电装置的转子外壁(3)结构特征在于:至少包括，一有固定装置在真空密闭非导磁套里保护的磁极，且径向分布至少1对N和S极，或者是感应式结构电机可被感应电流产生的金属材料，或有装在密闭非导磁套里配合无刷励磁的辅助部件，二在感应单元区域外固定装有前凸环(11)和后凸环(12)，三在前端固定径向滑动的前弹垫(22)内端，后端固定径向滑动的后弹垫(13)内端，四两端固定在轴承的内圈里。
4.根据权利1所述的一种无轴螺轮发电装置中的壳体(6)，其结构特征在于:至少包括，一中心通孔材质采用非导磁性材料，即铁或感磁性以外的材料，一体化浇铸或紧固件配合密封成壳状，二在壳体内部有多个感应温度、湿度、压力、转子速度的传感器(10)，三在壳体中心通孔以外处有信号数据线和电能输出线组成的多功能接口(7)，四在壳体中心通孔位置处的内壁厚度小于感应单元的电磁线圈和转子磁力线的有效半径，五固定装有有多组高速转盘(15)，六固定装有能够使转子和高速转盘相互带动的耦合单元(14)，七中心通孔两端附近固定连接着前弹垫外端和后弹垫外端，八靠近轴向中心有适应高温的抽真空和隔热措施，以防止壳体里所有单元部件来自原动力环境的热损坏，九中心通孔前后两端附近固定轴承的外圈上。
5.根据权利1所述的一种无轴螺轮发电装置中的感应单元(5)，其结构特征在于:至少包括，一在中心孔的周围固定有电磁线圈绕组，二固定有用于无刷励磁发电的电磁线圈，三固定有电力闸刀直接和该电磁线圈串接，四固定有传感系统，即能够感知自身的温度、湿度、压力和异常信息的感应器。
6.根据权利1所述的一种无轴螺轮发电装置中的螺旋轮(1)，其与转子内壁连接结构特征在于:至少包括，一浇铸一体化，二嵌入式铆接，三焊接，四冷热紧配合。
7.根据权利3所述的一种无轴螺轮发电装置中的转子外部的前凸环(11)和后凸环(12)，其结构特征在于:一与多组耦合单元前后对应，二前凸环与耦合单元滑动接触的摩擦力既能达到刹车，也能带动配合耦合单元驱动高速转盘，三后凸环的摩擦系数小于前凸环，以保证高速转盘有效地带动转子释放能量。
8.根据权利4所述的一种无轴螺轮发电装置中的壳体里的耦合单元(14)，其结构特征在于:一有不同的齿轮组相互配合，二与前凸环和后凸环配合有一定的动态平衡间隙，三有保证前凸环和后凸环滑动接触摩擦力的润滑系统，四只有前凸环或后凸环滑动接触后才可以在摩擦力的作用下带动负载。
9.根据权利1所述的一种无轴螺轮发电装置中的轴承(4)，其结构特征在于:至少包括，一径向间隙控制在容积泄压允许范围内，二上下保护滚珠端盖的径向两圈间隙控制在容积泄压允许范围内，且该端盖可以承受轴向2倍以上额定推力而不脱落，三内圈和外圈有一定的轴向位移量。
10.根据权利3所述的一种无轴螺轮发电装置中转子外壁滑动接触的前弹垫(22)和后弹垫(13)，其结构特征在于:一前弹垫和后弹垫都是侧面密闭前后通透的环形，且和转子接触两端具有一定径向自由滑动的摩擦系数，二后弹垫的轴向弹力大于前弹垫轴向弹力，以保证转子在启动静止位置时滑动接触到后凸环而没有接触到前凸环，三在原动力轴向推力、所有摩擦力、所有重力、所有弹力的合力F作用下，前弹垫和后弹垫可以使转子轨迹S位移保持在动态平衡运行段位置(O附近)，且结合轨迹S与合力F函数图像实现动态平衡过程如下: 先假定转子位移轨迹S就在动态平衡区，即O点附件运动，且前凸环后凸环后都没有接触到稱合单元。当前端原动力驱动螺旋轮超过额定转速转动时，轴向合力分量F增加，打破了动态平衡运行段2b内，使转子从原来的O附近向+b移动，抵达+b后即与前凸环滑动接触，使耦合单元将转子的转速惯量带动高速转盘储能，同时由于滑动接触具有一定的摩擦力，即使转子自动起到刹车作用。当运行到+a时，储能完成，即等同于抵达再启动静止点_a。此时转子和后凸环滑动接触，原动力被强制关闭轴向推力消失，合力分量F改变方向，由最大的前弹垫和后弹垫的弹力合力替代，而且高速转盘由耦合单元带动转子继续转动，即释放能量，直到释放完毕。当正常启动后，合力F再次改变方向，轴向推力逐渐替代克服弹力合力，前凸环逐渐离开耦合单元，转子开始从_a向_b点移动，到达_b时，此时耦合单元完全离开前凸环 ，轴向推力远远大于弹力合力，使转子二次进入动态平衡区，如附图11所示。
【文档编号】H02K1/12GK104037959SQ201310069483
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2013年3月4日 优先权日:2013年3月4日
【发明者】王军 申请人:王军