CN104364514A

CN104364514A - 包括围绕径向轴可旋转活动的至少一个叶片和所述叶片的旋转运动的限制装置的水力发动机转子,以及包括此类转子的水力发动机

Info

Publication number: CN104364514A
Application number: CN201380016061.0A
Authority: CN
Inventors: H.迪歇涅; P.卡宁; A.吉拉尔-佩卡雷尔
Original assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Current assignee: GE Energy Power Conversion Technology Ltd
Priority date: 2012-01-27
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2015-02-18
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: US10233892B2; FR2986280B1; WO2013110715A3; BR112014018544A8; WO2013110715A2; BR112014018544B1; US20150226174A1; CA2862705A1; BR112014018544A2; EP2620634A3; EP2620634B1; FR2986280A1; CN104364514B; EP2620634A2; CA2862705C

Abstract

本发明涉及用于水力发动机的转子，其能够通过液体流而被旋转。该转子包括内环、外环以及在内环与外环之间沿着径向方向（R）延伸的至少一个叶片（24），所述内环与外环以同一纵轴线（X）为中心。该转子包括在内环与外环之间径向地延伸的至少一个径向轴（26），且至少一个叶片（24）围绕各自的径向轴（26）是可旋转运动的。该转子（14）也包括对于所述至少一个叶片（24）围绕其各自的径向轴（26）的旋转运动的限制装置（28）。

Description

包括围绕径向轴可旋转活动的至少一个叶片和所述叶片的旋转运动的限制装置的水力发动机转子,以及包括此类转子的水力发动机

技术领域

本发明涉及水力发动机的转子，该转子适于通过液体流被旋转地驱动，该转子包括内环、外环和在内环和外环之间沿着径向方向延伸的至少一个叶片，内环和外环以同一纵轴线为中心。

本发明也涉及包括定子和此类转子的水力发动机。

背景技术

已知前述类型的水力发动机的转子。此类转子的叶片与内环和外环机械连接在一起，以及因此确保了内环与外环之间的机械连接。转子围绕大致对应于流的方向的纵轴线是可旋转活动的。所有的叶片相对于垂直于纵轴线的平面以几乎相同的倾斜角被放置。叶片的倾斜角是预定的值。

然而，包含此类转子的水力发动机的效率在转子的旋转速度的整个范围上不是最理想的，此速度范围例如包括在0和50转/分钟之间。

发明内容

本发明的目的因此在于提出一种在旋转速度的整个范围上提供更好效率的水力发动机的转子，例如旋转速度包括在0和50转/分钟之间。

为了达到此效果，本发明的目的在于上述类型的水力发动机的转子，特征在于其包括在内环和外环之间径向地延伸的至少一个径向轴，在于至少一个叶片围绕各自的径向轴是可旋转活动的，以及在于转子包括所述至少一个叶片围绕其各自的径向轴的旋转运动的限制装置。

根据本发明的其它有利的方面，转子包括一个或多个下列特征，它们被单独采用或依照所有可能的技术上的组合：

- 对于所述至少一个叶片，限制装置包括被布置在内环与外环中的至少一个环上的至少一个挡块，

- 对于所述至少一个叶片，限制装置包括被布置在内环与外环中至少一个环上的第一挡块和第二挡块，第一挡块与流相对于转子的第一方向相关，而第二挡块与流相对于转子的第二方向相关，

- 对于所述至少一个叶片，限制装置包括被布置在外环上的高挡块和被布置在内环上的低挡块，

- 对于所述至少一个叶片，限制装置包括被布置在外环上的第一高挡块和第二高挡块，以及被布置在内环上的第一低挡块和第二低挡块，这些第一挡块与流的第一方向相关，而这些第二挡块与流的第二方向相关，

- 对于所述至少一个叶片，限制装置包括被布置在外环上的高挡块，在没有流时叶片呈静止位置，且静止位置与叶片抵靠高挡块的支撑位置之间的角度的值包括在10度和30度之间，优选等于20度，

- 对于所述至少一个叶片，限制装置包括被布置在内环上的低挡块，在没有流时叶片呈静止位置，且静止位置与叶片抵靠低挡块的支撑位置之间的角度的值包括在30度和60度之间，优选等于45度，

- 对于每个叶片，转子包括在内环和外环之间径向延伸的径向轴，每个叶片围绕其各自的径向轴是可旋转活动的，且限制装置适于限制每个叶片的旋转运动，

- 转子包括多个叶片，叶片数量N优选地包括在2和20之间，优选等于8，以及

- 该叶片或每个叶片呈现上表面、下表面、前缘和后缘，前缘为叶片沿着径向方向延伸的边缘，且沿着液体顺着叶片的流动方向被布置在上游，后缘为叶片的与前缘相对的边缘，且沿着液体顺着叶片的流动方向被布置在下游，

其中在垂直于径向方向的平面上的横截面上，在至少一个叶片的至少一个部分呈现出包括厚的部分和薄的部分的翼型，厚的部分和薄的部分每个都具有沿着垂直于上表面的方向的最大厚度，厚的部分的最大厚度比薄的部分的最大厚度大至少四倍，以及

其中薄的部分的曲线长度包括在前缘和后缘之间弦的长度的0.1倍与所述弦的长度的0.9倍之间，优选地包括在所述弦的长度的0.25倍与所述弦的长度的0.9倍之间。

本发明的目的也在于包括转子和定子的水力发动机，特征在于转子是如上述所定义的。

附图说明

本发明的这些特征和优势在阅读后续的说明后将显现，说明仅作为非限制性的示例给出，并参照了附图，其中：

- 图1是根据本发明的水力发动机的透视图，

- 图2为图1的水力发动机的叶片的示意图，

- 图3为图2的沿着平面III的剖视图，

- 图4以及图5分别是根据本发明的第一实施例的图2的叶片的俯视图，分别沿着流顺着纵向方向的第一方向，沿着与第一方向相对的第二方向，以及

- 图6是根据本发明的第二实施例与图4的视图类似的视图，以及

- 图7是根据本发明的第二实施例与图5的视图类似的视图。

具体实施方式

在图1上，水力发动机10包括定子12，围绕纵轴线X可旋转活动的转子14，以及喷管16。水力发动机10也包括定子的支承托架18。

水力发动机10适于将在喷管16内沿着纵向方向X流通的液体流的动能转化为电能，该流使得转子14围绕纵轴线X旋转，且转子14相对于定子12的旋转产生电能。

水力发动机10，例如海下的水力发动机，被用于利用海流的动能。作为变型，水力发动机用于浸在江河中，以便于将江河的水力的能量转化为电能。

定子12呈围绕纵轴线X旋转的环的形状。如对其所已知的，定子12包括未示出的主动磁定子(magnétique active statorique)的部分。

转子14包括内环20、外环22以及沿着与纵轴线X垂直的径向方向R在内环20与外环22之间延伸的多个叶片24。叶片24的数量N优选在2和20之间。

在图1的实施例中，转子14包括在内环20的***成角度地分布的八个叶片，且N等于8。换言之，两个连续的叶片之间的角间隔大致等于45°。

转子14包括在图2上可见的在内环20与外环22之间径向延伸的至少一个径向轴26，以及可围绕各自的径向轴26旋转活动的至少一个叶片24。另外转子14包括所述至少一个叶片24围绕其各自的径向轴26的旋转运动的限制装置28，如在图2上所示。

在所述的实施例中，对于每个叶片24，转子14均包括在内环20与外环22之间径向地延伸的相应的径向轴26，且每个叶片24围绕其径向轴26是可旋转活动的。换言之，转子14包括N个径向轴26。

作为未示出的变型，仅对于一个或多个叶片24，也称作可活动的叶片，转子14包括，在内环20和外环22之间径向地延伸的各自的径向轴26。每个可活动的叶片因此适于围绕其径向轴26旋转，其它的叶片24，也被称作固定的叶片，根据与垂直于纵轴线X的平面的预定的倾斜角与内环20和/或外环22机械连接在一起。

转子14也包括未示出的主动磁转子的部分，被布置在外环22的***上且适于与主动磁定子的部分协作，以便于当转子14在定子12内围绕纵轴线X旋转时产生磁场。

如图1上所示，喷管16包括沿着纵向X的方向被固定在定子12的两侧的两个半喷管30。喷管16呈围绕纵轴线X的旋转的管环的形状，该管环具有长方形形状的横截面。每个半喷管30在沿平行于纵轴线X的纵向平面的截面上呈现U形，U的两端被固定至定子12。

支承托架18包括在地面上的多个支撑柱32，以及远离地面的定子的三个竖直的支承臂34。支承托架18包括例如管状的底架。

内环20和外环22每一个都呈围绕纵轴线X的旋转的圆柱管的形状。内环20和外环22以纵轴线X为中心。如图1所示，沿着纵轴线X的方向内环20的长度和外环22的长度几乎相等。作为变型，沿着纵向方向X内环20的长度和外环22的长度是不同的。

内环20在垂直于纵轴线X的平面内呈现第一直径D1，且外环22呈现第二直径D2，D2的值大于第一直径D1的值。第一直径D1的值例如包括在2000mm和8000mm之间。第二直径D2的值例如包括在4000mm和18000mm之间。

如图2所示，每个叶片24均包括第一表面36、第二表面38、前缘40以及后缘42。沿着水流顺着纵向方向X的第一方向S1，第一表面36对应于上表面EXT且第二表面38对应于下表面INT，下表面INT是受到水流压力作用的叶片24的表面，而上表面EXT是与下表面INT相对侧的叶片24的表面，如图4所示。沿着与第一方向S1相对的流的第二方向S2，第一表面36对应于下表面INT且第二表面38对应于上表面EXT，如图5所示。前缘40是叶片24沿着径向方向R延伸的边缘，且沿着水顺着叶片24的流动方向被布置在上游。后缘42是叶片24与前缘40相对的边缘，且沿着水的流动方向被布置在下游。换言之，前缘40面对水的流动，而后缘42对应于沿着水的流动方向叶片的后部。

叶片24的至少一部分沿着径向方向R在垂直于径向方向R的剖面P的横截面上呈现包括厚的部分46和薄的部分48的翼型44。

作为变型，叶片24在沿着剖面P的横截面上呈现仅包括厚的部分46的翼型。

作为变型，叶片24在沿着剖面P的横截面上呈现仅包括薄的部分48的翼型。

作为又一个变型，叶片24在沿着剖面P的横截面上呈现矩形形状的翼型，叶片24呈长方体的形状。换言之，叶片24几乎是平的。

径向轴26与内环20和外环22中的至少一个环连接在一起。在图1和图2的实施例中，径向轴26与内环20和外环22连接在一起，径向轴26的一端被固定至内环20且另一端被固定至外环22。径向轴26的每一端大致被固定在相应的环20、22沿着纵向方向X的中间。

作为变型，径向轴26与叶片24连接在一起，且相对于内环20和外环22是可旋转活动的。

径向轴26例如以钢或铝或甚至复合材料的杆的形式被实现。

作为变型，径向轴26呈固定至叶片24的突起的形式，且相对于叶片24凸出，其在设置在内环20和外环22中的相应的接收孔中被接收。形成径向轴26的突起例如与叶片24一起一体形成。

限制装置28对于可围绕相应的径向轴26旋转活动的每个叶片24包括，被布置在内环20与外环22之中的至少一个环上的至少一个挡块50A、50B、52A、52B。

在图2、图4和图5的实施例中，限制装置28对于可围绕相应的径向轴26旋转活动的每个叶片24，包括被布置在外环22上的第一高挡块50A和第二高挡块50B，以及被布置在内环20上的第一低挡块52A和第二低挡块52B。换言之，限制装置28包括被布置在外环22上的N个第一高挡块50A和N个第二高挡块50B，以及被布置在内环20上的N个第一低挡块52A和N个第二低挡块52B。

作为未示出的变型，限制装置28包括挡杆，其大致沿着径向方向R延伸并沿着径向方向R形成叶片24的整个高度上的挡块。

作为又一个变型，限制装置28包括用于在后缘42附近固定住叶片24的固定弹簧。

作为又一个变型，限制装置28包括用于在前缘40附近固定住叶片24的扭转弹簧。

前缘40和后缘42通过假想的线段54连接，如图3中虚线所示，也称作前缘40和后缘42之间的弦。

翼型44在下表面INT一侧呈现出拐点56。

如图3所示，厚的部分46沿着垂直于上表面EXT的方向具有第一最大厚度E1，且在上表面EXT一侧呈现出第一曲线长度L1。

在图3中可见，厚的部分46呈现对称平面S，该对称平面S平行于径向方向R。厚的部分46例如由金属材料例如铝实现。

薄的部分48沿着垂直于上表面EXT的方向具有第二最大厚度E2，且在上表面EXT一侧呈现出第二曲线长度L2。薄的部分48由例如复合材料或铁皮或甚至聚醚醚酮（PolyEtherEtherKetone）也称作PEEK而实现。

作为变型，厚的部分46和薄的部分48由热塑性或热固性的材料实现。作为又一个变型，厚的部分46由复合材料实现。

前缘与后缘之间的弦54呈现长度C。

拐点56大致对应于厚的部分46与薄的部分48之间的界限。

第二曲线长度L2包括在前缘与后缘之间的弦54的长度C的0.1倍与所述弦54的长度C的0.9倍之间。第二曲线长度L2优选包括在长度C的0.25倍和长度C的0.9倍之间。

第一最大厚度E1至少比第二最大厚度E2高四倍。第一最大厚度E1小于或等于前缘40与后缘42之间的弦的长度C的0.25倍。

在图2的实施例中，不管剖面P沿着径向方向R的位置如何，整个叶片24都呈现厚的部分46和薄的部分48。不管剖面P沿着径向方向R的位置如何，叶片24都呈现例如同样的翼型44。

作为未示出的变型，前缘40与后缘42之间的弦54的长度C是沿着径向方向R根据剖面P的位置可变化的值。换言之，翼型44是沿着径向方向R根据剖面P的位置可变化的形状。

第一高挡块50A和第二高挡块50B与外环22连接在一起。

如图4和图5所示，第一高挡块50A和第二高挡块50B以相对于垂直于纵轴线X的外环的中间平面M几乎对称的方式布置，其中为了图的清晰性外环22未被示出。

第一低挡块52A和第二低挡块52B与内环20连接在一起，且相对于中间平面M以几乎对称的方式布置。

如图4所示，第一挡块50A、52A与流的第一方向S1相关，且第二挡块50B、52B与流的第二方向S2相关，如图5所示。

第一和第二高挡块50A、50B被定位成使得，在没有流的叶片24的静止位置与叶片24抵靠相应的高挡块50A、50B的支撑位置之间的最大高位角的值θ1_max包括在10°与30°之间，优选等于20°。

在叶片24抵靠第一高挡块50A的支撑位置与叶片抵靠第二高挡块50B的支撑位置之间的角度的值包括在20和60°之间，优选等于40°，第一和第二高挡块50A、50B相对于中间平面M几乎互相对称，且叶片24的静止位置几乎与中间平面M合在一起。

第一和第二低挡块52A、52B定位成使得静止位置和叶片抵靠相应的低挡块50A、50B的支撑位置之间的最大低位角的值θ2_max包括在30°和60°之间，优选等于45°。

在叶片24抵靠第一低挡块52A的支撑位置与叶片24抵靠第二低挡块52B的支撑位置之间的角度的值包括在60°和120°之间，优选等于90°，第一和第二低挡块52A、52B相对于中间平面M几乎互相对称。

如图2所示，最大高位角的值θ1_max被选择成小于最大低位角的值θ2_max是由于叶片在高处的切向速度（箭头V1）大于叶片在低处的切向速度（箭头V2）。

根据本发明的水力发动机10的运转借助于图4和图5进行解释。

在没有水流且当转子14处于停止时，没有水的流动顺着叶片24流通。叶片24因此处于静止位置，前缘40和后缘42因此几乎处于中间平面M。

如图4所示，当水力发动机10被放置在水流中时，当流顺着第一方向S1时，叶片24在流的作用下强烈地旋转直至到达抵靠第一高挡块50A和低挡块52A被支撑。在叶片24上的流的支撑因此使得转子14围绕纵轴线X在箭头ROT的方向上旋转。旋转速度初始很小且随着水顺着叶片24的流动而增加。

与外环22相对的叶片24的外缘与中间平面M之间的角称作高位角θ1，而与内环20相对的叶片24的内缘与中间平面M之间的角称作低位角θ2。叶片24的扭转变形因此对应于高位角θ1的值与低位角θ2的值之间的差值。

叶片24的扭转变形，高位角θ1以及低位角θ2随着转子14的旋转速度的增加而减小。在旋转速度持续增加时，叶片24开始远离第一高挡块50A和低挡块52A。

当旋转速度呈现其额定值时，叶片24的扭转变形相对较小，且叶片24与第一高挡块50A和低挡块52A分开。

根据本发明的水力发动机10顺着流的两个方向S1、S2以类似的方式运转，每个叶片24是足够柔性的，通过薄的部分48的曲线长度L2使得第一表面36顺着流的第一方向S1（图4）对应于上表面EXT，且顺着流的第二方向S2（图5）对应于下表面INT。

如图5所示，当水流的方向顺着第二方向S2定向时，由于转子14的小的旋转速度，叶片24因此抵靠第二高挡块50B和低挡块52B。

以类似于有关图4对于流的第一方向S1已经描述类似的方式，当转子14的旋转速度增加时，每个叶片24逐渐离开第二高挡块50B和低挡块52B，且每个叶片24的扭转变形减小。

当转子14呈现其额定旋转速度时，每个叶片24都与第二高挡块50B和低挡块52B分开，且每个叶片24的扭转变形都很小。

叶片24相对于垂直于纵轴线X的平面的倾斜因而呈现变化的值。每个叶片24的倾斜自动地适应于顺着叶片24的水的流动以及转子14的旋转速度，每个叶片围绕其径向轴26可旋转活动。限制装置28使得避免每个叶片24顺着平行于纵轴线X的纵向平面的定位，以便于维持水流在每个叶片24上的最小的支撑力。

本领域技术人员注意到转子14的旋转方向（箭头ROT）是相同的，无论顺着纵向方向X的流方向是S1或S2，其便于根据本发明的水力发动机10的运行。实际上，对于现有的水力发动机，水流方向的改变通过转子旋转方向的反向而表现。由于转子的惯性，此旋转方向的反向是缓慢的，由于与旋转方向的反向相关的时间损失，妨碍了水力发动机的充分运行。

因而设想根据本发明的转子14在旋转速度的整个范围内提供更好的效率，例如转子的速度包括在0和50转/分钟内，并且无论流的方向如何。

图6和图7图示了本发明的第二实施例，其中元件与上文所述的第一实施例相似，其以相同的附图标记表示，并且不再次进行描述。

根据第二实施例，对于每个围绕其径向轴26可旋转运动的叶片24，限制装置28仅包括布置在外环22上的第一高挡块50A和第二高挡块50B，而没有布置在内环20上的低挡块。

在叶片24的静止位置与叶片24分别抵靠第一高挡块50A与第二高挡块50B的支撑位置之间的最大高位角θ1_max的值被包括在10°和30°之间，优选等于20°。

此第二实施例的运行与第一实施例的类似，其顺着流的第一方向S1（图6）或沿着流的第二方向S2（图7），并且不再次描述。

根据此第二实施例，限制装置28包括更少数量的挡块50A、50B，其减少了成本。此第二实施例的其它优点与第一实施例的优点类似，并且不再次描述。

根据未示出的第三实施例，对于每个围绕其径向轴26可旋转运动的叶片24，限制装置28仅包括布置在内环20上的第一低挡块52A和第二低挡块52B，而没有被布置在外环22上的高挡块。

根据此第三实施例，在静止位置与叶片24分别抵靠低挡块52A、52B的支撑位置之间的最大低位角θ2_max的值被包括在30°和60°之间，优选等于45°。

叶片24相对于垂直于纵轴线X的平面的倾斜也呈现变化的值，并且自动地适应于水的流动以及转子的速度，每个叶片围绕其径向轴26可旋转活动，限制装置28使得避免每个叶片24顺着平行于纵轴线X的纵向平面的定位。

因而也设想根据本发明的转子14在旋转速度的整个范围内提供更好的效率，例如转子的速度包括在0和50转/分钟内，并且无论流的方向如何。

Claims

1. 一种水力发动机的转子（14），该转子（14）适于通过液体流而被旋转驱动，该转子（14）包括内环（20）、外环（22）以及在内环（20）与外环（22）之间沿着径向方向（R）延伸的至少一个叶片（24），内环（20）与外环（22）以同一纵轴线（X）为中心，

其特征在于其包括在内环（20）与外环（22）之间径向地延伸的至少一个径向轴（26），且至少一个叶片（24）围绕各自的径向轴（26）是可旋转活动的，且该转子（14）包括所述至少一个叶片（24）围绕其各自的径向轴（26）的旋转运动的限制装置（28），且对于所述至少一个叶片（24），该限制装置（28）包括被布置在外环（22）上的高挡块（50A、50B）以及被布置在内环（20）上的低挡块（52A、52B）。

2. 根据权利要求1所述的转子（14），其中对于所述至少一个叶片（24），限制装置（28）包括被布置在内环（20）与外环（22）中至少一个环上的第一挡块（50A、52A）和第二挡块（50B、52B），第一挡块（50A、52A）与流相对于转子（14）的第一方向（S1）相关，而第二挡块（50B、52B）与流相对于转子（14）的第二方向（S2）相关。

3. 根据权利要求2所述的转子（14），其中对于所述至少一个叶片（24），限制装置（28）包括，被布置在外环（22）上的第一高挡块（50A）以及第二高挡块（50B），以及被布置在内环（20）上的第一低挡块（52A）和第二低挡块（52B），第一挡块（50A、52A）与流的第一方向（S1）相关，而第二挡块（50B、52B）与流的第二方向（S2）相关。

4. 根据任一前述权利要求所述的转子（14），其中对于所述至少一个叶片（24），限制装置（28）包括被布置在外环（22）上的高挡块（50A、50B），在没有流存在时叶片（24）呈现静止位置，且在静止位置以及叶片（24）抵靠高挡块的支撑位置之间的角的值(θ1_max)被包括在10度与30度之间，优选等于20°。

5. 根据任一前述权利要求所述的转子（14），其中对于所述至少一个叶片（24），限制装置（28）包括被布置在内环（20）上的低挡块（52A、52B），在没有流存在时叶片（24）呈现静止位置，且在静止位置与叶片（24）抵靠低挡块（52A、52B）的支撑位置之间的角的值(θ2_max)被包括在30°与60°之间，优选等于45°。

6. 根据任一前述权利要求所述的转子（14），其中对于每个叶片（24），转子（14）包括在内环（20）与外环（22）之间径向地延伸的径向轴（26），每个叶片（24）围绕各自的径向轴（26）是可旋转运动的，且限制装置（28）适于限制每个叶片（24）的旋转运动。

7. 根据任一前述权利要求所述的转子（14），其中转子（14）包括多个叶片（24），叶片（24）的数量N优选被包括在2和20之间，优选等于8。

8. 根据任一前述权利要求所述的转子（14），其中该或每个叶片（24）呈现上表面（EXT）、下表面（INT）、前缘（40）和后缘（42），前缘（40）是叶片（24）沿着径向方向（R）延伸且沿着液体顺着叶片（24）的流动方向（R）被布置在上游的边缘，后缘（42）为与前缘（40）相对且沿着液体顺着叶片（24）的流动方向被布置在下游的叶片（24）的边缘，

其中在沿着垂直于径向方向（R）的平面的横截面上，在至少一个叶片（24）的至少一部分中呈现出包括厚的部分（46）和薄的部分（48）的翼型（44），厚的部分（46）和薄的部分（48）每个都具有沿着垂直于上表面（EXT）的方向的最大的厚度（E1、E2），厚的部分（46）的最大厚度（E1）比薄的部分（48）的最大厚度(E2）大至少四倍，

且其中薄的部分（48）的曲线长度（L2）包括在前缘（40）和后缘（42）之间的弦的长度（C）的0.1倍与所述弦的长度（C）的0.9倍之间，优选包括在所述弦的长度（C）的0.25倍与所述弦的长度（C）的0.9倍之间。

9. 一种包括转子（14）和定子（12）的水力发动机，其特征在于该转子（14）为符合上述任一权利要求所述。