本發(fā)明涉及用于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。

本發(fā)明主要開(kāi)發(fā)用于水利發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子。此類發(fā)電機(jī)用來(lái)將諸如水和風(fēng)等流動(dòng)流體的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電力。

背景技術(shù)：

諸如水和風(fēng)等流動(dòng)流體中的動(dòng)能是用于發(fā)電的能源，諸如生物燃料和化石燃料的已知替代物。例如，不同于生物燃料和化石燃料在用于發(fā)電的同時(shí)會(huì)將有害的燃燒氣體排放到大氣中，通過(guò)使用流動(dòng)流體發(fā)電對(duì)大氣沒(méi)有不利的影響或影響很小。

用于收獲風(fēng)能的已知裝置通常具有較低的運(yùn)行成本，然而它們的安裝比較昂貴并且發(fā)電能力相對(duì)較低。另一方面，用于收獲水能(例如，潮汐能)的已知裝置具有相對(duì)較高的發(fā)電能力。

已知的水力發(fā)電機(jī)通常具有轉(zhuǎn)子，該轉(zhuǎn)子包括中心輪轂，兩個(gè)或更多向外延伸的葉片附接到中心輪轂。轉(zhuǎn)子由驅(qū)動(dòng)軸連接到旋轉(zhuǎn)式功到電力轉(zhuǎn)換器(即，發(fā)電機(jī))。流經(jīng)轉(zhuǎn)子葉片的流體導(dǎo)致葉片旋轉(zhuǎn)，繼而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器旋轉(zhuǎn)并且發(fā)電。

已知的轉(zhuǎn)子具有相對(duì)較小直徑的輪轂和相對(duì)細(xì)長(zhǎng)的葉片。葉片還具有相對(duì)較高的長(zhǎng)寬比(即，葉片長(zhǎng)度與葉片寬度之比)。此類葉片易產(chǎn)生較高的工作負(fù)載并且經(jīng)受湍流流體流中的極限彎矩。這一般會(huì)導(dǎo)致葉片斷裂。

發(fā)明目標(biāo)

本發(fā)明的目標(biāo)是大體上克服或至少改善上述缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在第一方面，本發(fā)明提供用于水力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子，包括：

輪轂，其具有圓形截面形狀和縱向旋轉(zhuǎn)軸，

多個(gè)葉片，每個(gè)葉片都具有近端葉根和遠(yuǎn)端葉尖，葉片葉根中的每個(gè)都安裝到輪轂的最寬部分，

其中葉片的葉尖的直徑與輪轂的最寬部分的直徑之比小于約2:1。

優(yōu)選地，葉片的葉尖的直徑與輪轂的最寬部分的直徑之比在約1.2:1與2:1之間。

優(yōu)選地，葉片的葉尖的直徑與輪轂的最寬部分的直徑之比是約1.5:1或1.6:1。

在一個(gè)實(shí)施例中，葉片的葉尖的直徑在約3.6與4.8米之間，并且輪轂的最寬部分的直徑是2.4米。

在另一實(shí)施例中，葉片的葉尖的直徑在約30與32米之間，并且輪轂的最寬部分的直徑是20米。

在葉片葉根中的每個(gè)安裝到輪轂的區(qū)域中，輪轂表面的剖面半徑優(yōu)選介于輪轂的最寬部分的半徑的1/6與相等之間。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在將參考附圖僅通過(guò)實(shí)例的方式來(lái)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中：

圖1是轉(zhuǎn)子的第一實(shí)施例的正視圖；

圖2是帶有流線的圖1所示轉(zhuǎn)子的立體圖；以及

圖3是具有第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)子的水力發(fā)電機(jī)的截面?zhèn)纫晥D。

具體實(shí)施方式

圖1和圖2示出用于適合安裝在潮汐流環(huán)境中的水力發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子10。轉(zhuǎn)子10包括輪轂12，所述輪轂具有圓形截面形狀和縱向旋轉(zhuǎn)軸14。轉(zhuǎn)子10還包括7個(gè)等角度間隔開(kāi)的葉片16。輪轂10由玻璃強(qiáng)化塑料(GRP)或金屬表皮形成，并且葉片16由碳纖維金屬?gòu)?fù)合材料形成。

葉片16中的每個(gè)都具有近端葉根16a和遠(yuǎn)端葉尖16b。葉片16中的每個(gè)都在葉根16a處安裝到輪轂14，安裝在輪轂14的最寬部分。輪轂14的最寬部分的直徑示為直徑D1。葉片16的葉尖16b的直徑示為直徑D2。在所示實(shí)施例中，直徑D2:D1之比是約1.4:1。

圖2示出相對(duì)于流體流的流線18的轉(zhuǎn)子10，說(shuō)明當(dāng)流體在輪轂12周圍流動(dòng)時(shí)，其速度增加。隨著流體加速和局部速度增加，局部壓力減少。這種壓力減少導(dǎo)致流體保持集中在輪轂12的周圍。因此，流體的自由流中的能量集中在葉片16的區(qū)域中。

描述上述D2:D1比例的另一種方式是：與葉片16的長(zhǎng)度相比，輪轂12的直徑相對(duì)較大。相對(duì)較大的輪轂直徑D1有利地起到雙重功能：1.集中流過(guò)的水流中的能量；以及2.支持相對(duì)更大數(shù)量的更小且更堅(jiān)固的、各自具有較低的長(zhǎng)寬比的葉片16。

關(guān)于后一個(gè)問(wèn)題，葉片的彎矩是葉片的長(zhǎng)寬比的函數(shù)。例如，具有8:1長(zhǎng)寬比的葉片將導(dǎo)致葉根中的應(yīng)力值比具有4:1長(zhǎng)寬比的相同葉片高16倍。在具有相對(duì)較小直徑的輪轂的已知3葉片轉(zhuǎn)子中，由于輪轂的直徑限制，葉片在葉根處可只具有有限的弦長(zhǎng)。弦長(zhǎng)的這種限制意味著否則當(dāng)需要理想翼面時(shí)，葉片葉根厚度必須增加，以提供足夠的強(qiáng)度。

安裝到相對(duì)較小輪轂的相對(duì)較長(zhǎng)葉片還導(dǎo)致在給定的轉(zhuǎn)數(shù)/分鐘(RPM)下出現(xiàn)較低的表觀速度和較小的轉(zhuǎn)矩半徑。

較厚的葉根(尤其是在葉片的下部1/3中)與較低的表觀速度和較小的轉(zhuǎn)矩半徑相結(jié)合，導(dǎo)致對(duì)此類(已知)3葉片轉(zhuǎn)子的總功率貢獻(xiàn)降低。這是因?yàn)樵谳^小輪轂/較大3葉片配置中的葉片外部1/3做了功的63％。這是構(gòu)成總表面積的56％的葉片外部30％的掃掠面積和產(chǎn)生可忽略的功率的葉片內(nèi)部30％的組合。

相比之下，轉(zhuǎn)子10的配置(即，相對(duì)較大的輪轂14、相對(duì)較短的葉片16、數(shù)量相對(duì)多的葉片16)將流體流重新引導(dǎo)并且集中在內(nèi)部2/3區(qū)域，并且通過(guò)可提取100％功率的外部1/3區(qū)域來(lái)使其加速。有利的是，這意味著葉片16以最大能力操作的同時(shí)經(jīng)歷較低的應(yīng)力負(fù)載。

換言之，轉(zhuǎn)子10的D2:D1比例將葉片16放在具有理想葉片長(zhǎng)度的輪轂12周圍的加速區(qū)以在該區(qū)中操作。如果葉片相對(duì)于輪轂的直徑太長(zhǎng)，那么葉片葉尖反而在沒(méi)有流體加速的區(qū)域中操作，并且因此不貢獻(xiàn)正轉(zhuǎn)矩。

圖3示出具有第二實(shí)施例的轉(zhuǎn)子32的水力發(fā)電機(jī)30。轉(zhuǎn)子32具有輪轂34和十個(gè)葉片36。圖3還示出葉片葉根安裝梁38、葉片安裝輪轂40、固定主軸42、驅(qū)動(dòng)軸44、齒輪箱46、支撐梁48、水封50、軸承52以及旋轉(zhuǎn)發(fā)電機(jī)54。梁48用來(lái)將發(fā)電機(jī)30連接到浮動(dòng)的部署裝備(未示出)。

圖3中還示出半徑R，該半徑是輪轂34的在輪轂34和葉片36相連接的區(qū)域中的剖面半徑。在所示優(yōu)選配置中，半徑R是輪轂34的半徑的1/6。這個(gè)特定的比例將流的加速度最大化，同時(shí)避免湍流。

發(fā)電機(jī)30的一種優(yōu)選形式具有下列規(guī)格：

輪轂直徑D1：2.4米

葉片葉尖直徑D2：4.8至3.6米

發(fā)電范圍：50至300kW

流速范圍：1.2至4.2m/sec

葉片葉尖直徑與輪轂直徑之比：2:1到1.5:1

發(fā)電機(jī)30的另一優(yōu)選形式具有下列規(guī)格：

輪轂直徑D1：20米

葉片葉尖直徑D2：32至30米

發(fā)電范圍：0.5至5MW

流速范圍：1.2至4.0m/sec

葉片葉尖直徑與輪轂直徑之比：1.6:1至1.5:1

由于上述(相對(duì)較大)輪轂直徑與(相對(duì)較小)葉片直徑之比，水力發(fā)電機(jī)具有若干優(yōu)點(diǎn)。

第一，流體流中的能量在一組小葉片上集中并且加速，從而提高轉(zhuǎn)子的效率。

第二，多個(gè)(例如，7個(gè))較小葉片的總體積小于少量(例如，3個(gè))較大葉片的體積，從而降低制造成本。

第三，較小葉片具有較低的長(zhǎng)寬比，等同于葉片葉根中的較低彎矩和較低的葉片斷裂概率。

第四，流在較小葉片上的入流速度和入射角更接近葉片跨度上的統(tǒng)一值。這等同于葉片在跨度上的扭轉(zhuǎn)幾乎為零，并且允許葉片在槳距控制下鉸接，而不產(chǎn)生任何葉片扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致的性能損失。此外，在操作期間調(diào)節(jié)槳距的能力意味著轉(zhuǎn)子可在獨(dú)立于流速的恒定rpm下運(yùn)行。這允許發(fā)電機(jī)在直接連接到電網(wǎng)的恒定rpm下運(yùn)行，從而消除電頻率逆變器驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的成本。

第五，在快速流動(dòng)潮汐流中操作的轉(zhuǎn)子經(jīng)受流中較高的湍流強(qiáng)度。在較大輪轂周圍的水的流動(dòng)加速度的作用會(huì)降低進(jìn)入葉片區(qū)域的湍流的強(qiáng)度。這提高了葉片在高度湍流環(huán)境中的抗毀性。

盡管已參考優(yōu)選實(shí)施例描述了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將了解，本發(fā)明可體現(xiàn)在其他形式中。