ЭЛЕКТРОГЕНЕРИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО
POWER-GENERATING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электрогенерирующему устройству, которое, благодаря выбранной конструкции, позволяет упростить техническое обслуживание и уменьшить частоту его проведения и которое может быть использовано в нескольких типах гидроэлектростанций, в частности, микрогидроэлектростанциях, малых гидроэлектростанциях и малоразмерных гидроэлектростанциях.
Уровень техники
Известно несколько типов гидроэлектрогенераторов с турбиной и электрогенератором, как соединенных между собой, так и выполненных в виде единого узла.
Основной недостаток агрегатов, включающих в себя выполненные в виде единого узла турбину и электрогенератор, состоит в необходимости создания электрического поля ротора генератора, для чего необходимо использовать вспомогательные системы, такие как системы возбуждения, щетки, кольца и коллекторы, что затрудняет обеспечение требуемой полной водонепроницаемости ротора.
Один из существующих интегрированных гидроэлектрогенераторов, известный как турбина Страфло, представляет собой ротор генератора, установленный на внешней окружности рабочего колеса или колеса Каплана.
В генераторе Страфло в качестве источника магнитного потока, генерируемого в роторе, используются катушки, питание которых осуществляется от внешнего источника электрического тока; поэтому необходимы механические или гидростатические уплотнения стыков для обеспечения герметичности, чтобы исключить попадание воды в зазор между ротором и статором и в электрические детали ротора.
Другой недостаток турбины такого типа заключается в том, что из-за необходимости в подаче электроэнергии от постороннего источника к ротору для генерирования полезного магнитного потока в каждом полюсе ротора, требуется обеспечение водонепроницаемости цепей, выполняющих такую подачу.
Другой генератор для гидроэлектростанций известен из документа ЕР 1318299, где описана турбина в форме полого шара, в которой используется синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов с полюсами, образованными постоянными магнитами и установленными на роторе генератора. Охлаждение генератора осуществляется только с помощью потока жидкости, который направляют на внешнюю поверхность шара. Хотя в данном генераторе используется возбуждение с помощью постоянных магнитов, конструкция является сложной, что затрудняет ее практическое применение.
В документе ЕР 0790696 описан электрогенератор, который содержит один статор и один ротор, причем статор включает в себя несколько прямоугольных секторов, на которых расположены магнитные элементы полюсов. Такая компоновка применяется в обычных генераторах с целью уменьшения размеров узла и исключения некоторых недостатков, присущих данным устройствам, однако его невозможно использовать в гидроэлектростанциях, ввиду отсутствия водонепроницаемости и некоторых других вытекающих из этого проблем.
Заявитель уже обладает одним патентом по заявке №PI 0205233-4, относящимся к интегрированному гидрогенератору, в котором турбина и генератор выполнены в виде единого узла, а ротор генератора ограничен внешним диаметром лопаток турбины.
Раскрытие изобретения
Изобретение направлено на устранение недостатков известных устройств путем создания усовершенствованного электрогенерирующего устройства, в частности, относящееся к системам электрогенераторов, в которых элементы преобразования энергии включают в себя:
- гидротурбину для преобразования энергии жидкости в механическую энергию;
- генератор, содержащий статор и ротор, для преобразования механической энергии в электрическую энергию.
Энергия турбины непосредственно передается в электрогенератор, как в случае выполнения ротора с постоянными магнитами за одно целое со ступицей турбины, так и в случае соединения ступицы турбины с ротором электрогенератора посредством вала.
Компоновка электрогенератора представлена двумя основными конфигурациями, а именно: внешний статор генератора и внутренний ротор генератора, как показано на фиг.1-7, 9, 11 и 13 (вариант А); и внутренний статор генератора, и внешний ротор генератора, как показано на фиг.8, 10, 12, и 14-19 (вариант В).
В обоих случаях ротор с постоянными магнитами выполнен либо за одно целое со ступицей турбины, либо соединен с ней посредством вала.
Кроме того, синхронный генератор содержит постоянные магниты, которые могут быть расположены на роторе генератора в двух вариантах, а именно: либо на поверхности ротора, как показано на фиг.3 (вариант А) и на фиг.15 (вариант В), либо внутри ротора, как показано на фиг.4 (вариант А) и на фиг.16 (вариант В).
Для герметизации постоянных магнитов ротора и статора электрогенератора могут использоваться полимеры, композиционные материалы (органические или металлические), керамика или их комбинации.
Герметизация может быть осуществлена различными способами: впрыском, погружением, нанесением капель, наложением пластин, полос, волокон или нанесением покрытия.
Гидротурбина и генератор могут быть выполнены в виде единого узла, при этом ротор электрогенератора может быть непосредственно соединен со ступицей пропеллерной турбины или турбины Каплана, или с валом устройства, и может быть выполнен в виде одной детали или может быть разделен на секции, соединенные между собой, например, фланцами, втулками или муфтами.
Гидротурбина может представлять собой турбину пропеллерного типа или турбину Каплана, при этом ротор электрогенератора с полюсами из постоянных магнитов жестко соединен с ее ступицей или с валом устройства и выполнен или в виде одной детали, или разделенным на несколько частей, соединенных, например, фланцами, втулками или муфтами.
Лопатки турбины могут быть отрегулированы во время сборки, или могут быть выполнены управляемыми с помощью механизмов или гидравлических систем, когда вал устройства установлен соосно турбогенератору.
Ступица гидротурбины может быть цилиндрической, сферической, эллиптической, или может иметь любую другую форму, которая позволяет поворачивать лопатки гидротурбины вокруг оси, перпендикулярной валу турбогенератора.
Если лопатки гидротурбины являются регулируемыми, они имеют возможность поворота относительно ступицы турбины.
Наконец, если постоянные магниты ротора электрогенератора являются устойчивыми к коррозии и абразивному воздействию, они не герметизируются.
Ротор электрогенератора для обеспечения водонепроницаемости может быть герметизирован посредством полимеров, композитных материалов (органических или металлических), керамики или их комбинаций.
Герметизация может быть осуществлена различными способами: впрыском, погружением, нанесением капель, наложением пластин, полос, волокон или нанесением покрытия.
В конечном итоге, можно использовать постоянные не герметизированные магниты, устойчивые к коррозии и абразивному воздействию, при этом не требуется обеспечение водонепроницаемости ротора электрогенератора, что представляет собой один из вариантов выполнения устройства.
Одной из задач настоящего изобретения является создание устройства, в котором герметизированные или негерметизированные магниты ротора электрогенератора погружены в воду, что обеспечивает возможность поступления воды в зазор между ротором генератора и статором генератора (промежуток между ротором электрогенератора и статором генератора).
Другая задача настоящего изобретения заключается в создании устройства, которое при использовании постоянных магнитов 5, выполненных герметизированными или устойчивыми к коррозии и абразивному воздействию, не требует подачи электроэнергии для генерирования поля ротора электрогенератора, что, в свою очередь, делает не нужным применение системы возбуждения, а также не требует обеспечения водонепроницаемости между ротором электрогенератора и неподвижными частями устройства, что способствует теплообмену.
Электрогенерирующее устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет обеспечить полное преобразование гидроэнергии в механическую энергию и в электроэнергию в интегрированном турбогенераторе, в котором используются герметизированные или негерметизированные постоянные магниты, без использования системы электрического возбуждения ротора электрогенератора, в результате чего устраняется необходимость в обеспечении водонепроницаемости, т.е. допускается возможность присутствия воды в зазоре между ротором и статором генератора.
Краткое описание чертежей
Для более полного понимания особенностей настоящего изобретения и в соответствии с предпочтительными вариантами его осуществления представлены две группы чертежей, относящиеся к следующим вариантам:
вариант А - внешний статор генератора и внутренний ротор генератора,
вариант В - внутренний статор генератора и внешний ротор генератора.
На фиг.1 показано электрогенерирующее устройство (вариант А) с турбиной пропеллерного типа или типа Каштана, вид спереди;
на фиг.2 схематично показано устройство, описанное в патентной заявке №PI-02052334, вид сбоку;
на фиг.3 показано расположение постоянных магнитов на поверхности ротора генератора;
на фиг.4 показано расположение постоянных магнитов, вставленных в ротор генератора;
на фиг.5 показано устройство в версии А1 в продольном разрезе в собранном виде (патентная заявка №PI-0205233-4);
на фиг.6 показано устройство в версии А2 в продольном разрезе в собранном виде (патентная заявка №PI-0205233-4);
на фиг.7 показано устройство в версии В1 в продольном разрезе в собранном виде: узел, включающий в себя турбину и ротор электрогенератора, установленный на двух опорах, при этом ротор электрогенератора выполнен в виде единой детали с продолжением ступицы турбины, а постоянные магниты расположены вдоль внешней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.8 показано устройство в версии В2 в продольном разрезе в собранном виде: узел, включающий в себя турбину и ротор электрогенератора, установленный на двух опорах, при этом ротор электрогенератора выполнен в виде единой детали с расширенной ступицей турбины, а постоянные магниты расположены вдоль внутренней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.9 показано устройство в версии В3 в продольном разрезе в собранном виде: узел, включающий в себя турбину и ротор электрогенератора, установленный на двух опорах, при этом ротор электрогенератора выполнен в виде единой детали с валом устройства, выполненным либо в виде единой детали, либо разделенным на секции, взаимно соединенные фланцами, втулками или муфтами и т.д., а постоянные магниты расположены вдоль внешней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.10 показано устройство в версии В4 в продольном разрезе в собранном виде: узел, включающий в себя турбину и ротор электрогенератора, установленный на двух опорах, с электрогенератором, выполненным в виде единой детали с валом устройства, выполненным либо в виде единой детали, либо разделенным на секции, взаимно соединенные фланцами, втулками или муфтами и т.д., а постоянные магниты расположены вдоль внутренней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.11 показано устройство в версии В 5 в продольном разрезе в собранном виде: турбина установлена на двух опорах, электрогенератор уравновешен, а постоянные магниты расположены вдоль внешней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.12 показано устройство в версии В6 в продольном разрезе в собранном виде: турбина установлена на двух опорах, электрогенератор уравновешен, а постоянные магниты расположены вдоль внутренней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.13 показано устройство в версии В7 в продольном разрезе в собранном виде: турбина уравновешена и консольно закреплена на валу устройства, вал выполнен либо в виде единой детали, либо состоит из секций, взаимно соединенных фланцами, втулками или муфтами, и т.д., причем ротор электрогенератора установлен на двух опорах и содержит постоянные магниты, расположенные вдоль внутренней окружности ротора электрогенератора;
на фиг.14 показано устройство в версии В7 в продольном разрезе в собранном виде: турбина уравновешена и консольно закреплена на валу устройства, вал выполнен либо в виде единой детали, либо состоит из секций, взаимно соединенных фланцами, втулками или муфтами, и т.д., причем ротор электрогенератора установлен на двух опорах и содержит постоянные магниты, расположенные вдоль внутренней окружности ротора электрогенератора;
вариант В - внутренний статор генератора и внешний ротор генератора.
На фиг.15 показано расположение постоянных магнитов на поверхности ротора генератора по варианту В;
на фиг.16 показано расположение постоянных магнитов, вставленных в ротор генератора;
на фиг.17 показано в продольном разрезе устройство в версии С1;
на фиг.18 показано в продольном разрезе устройство в версии С2;
на фиг.19 показано устройство в версии С3 (вариант В) в продольном разрезе в собранном виде: узел, включающий в себя турбину и ротор электрогенератора, установлен на двух опорах, при этом электрогенератор объединен с удлиненной ступицей турбины.
Осуществление изобретения
В соответствии с указанными чертежами настоящее изобретение относится к усовершенствованному электрогенерирующему устройству с электрогенератором синхронного типа с полюсами 1, выполненными из постоянных магнитов, при этом устройство содержит (см. фиг.7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 17, 18 и 19):
a. гидротурбину 2 для преобразования энергии жидкости в механическую энергию;
b. узел электрогенератора 3, включающий в себя части 1, 4, 5, 7 и 10, для преобразования механической энергии в электрическую энергию, а именно:
b1. герметизированный статор 4 генератора (фиг.7-14, 17, 18 и 19), конструкция которого аналогична обычно используемым электрическим статорам, с магнитопроводом, называемым сердечником 5 статора, (фиг.3 и 4) и многофазную обмотку 6 (фиг.3, 4, 15 и 16), которая расположена в канавках статора, распределенных и соединенных накоротко для соответствия ожидаемым характеристикам выходного электрического напряжения генератора 3;
b2. ротор 7 генератора (фиг.7-14, 17, 18 и 19), содержащий магнитопровод, называемый сердечником 8 ротора (фиг.3, 4, 15 и 16), и полюса 9 (фиг.3, 4, 15 и 16), выполненные из постоянных магнитов 1 (фиг.7-14, 17, 18 и 19), расположенные в роторе 7 генератора;
с. зазор 10 между статором 4 и ротором 7 генератора (фиг.7-14, 17, 18 и 19).
Статор 4 генератора должен быть полностью герметизирован полимерами, композитными материалами (органическими или металлическими), керамикой или их комбинацией.
Нанесение герметизирующего материала может быть осуществлено различными способами: впрыском, погружением, нанесением капель, наложением пластин, полос, волокон или нанесением покрытия.
Постоянные магниты 1 ротора 7 генератора могут быть негерметизированными, но при этом они должны быть устойчивы к коррозии и абразивному воздействию.
Ротор 7 генератора для обеспечения водонепроницаемости должен быть герметизирован полимерами, композитными материалами (органическими или металлическими), керамикой или их комбинациями.
Герметизированный ротор 7 генератора обычно полностью погружен в воду, в результате чего в зазоре 10 между ротором 7 и статором 4 генератора присутствует вода.
Нанесение герметизирующего материала на ротор 7 генератора может быть осуществлено различными способами: впрыском, погружением, нанесением капель, наложением пластин, полос, волокон или нанесением покрытия.
Расположенные в роторе 7 генератора постоянные магниты 1, действующие как элементы возбуждения (генерирующие полезный магнитный поток для каждого полюса), могут быть установлены на сердечнике ротора двумя способами:
a. постоянные магниты 1 расположены на поверхности ротора 7 генератора, как показано на фиг.3 и 15, с вектором намагниченности, направленным в радиальном направлении R1;
b. постоянные магниты вставлены в сердечник 8 ротора, как показано на фиг.4 и 16, где сердечник 8 ротора выполнен с возможностью вставки постоянных магнитов 1, в результате чего вектор намагниченности направлен в тангенциальном направлении Т1.
Постоянные магниты 1 для каждого полюса 9 могут представлять собой постоянный магнит в виде одного куска, или сочетание малых «таблеток», расположенных подходящим образом на поверхности ротора или вставленных в ротор.
Сердечник 5 статора и сердечник ротора могут быть выполнены из любых подходящих магнитных материалов.
Электрогенерирующее устройство согласно настоящему изобретению содержит следующие узлы: передний поперечный элемент 12 (фиг.7-14, 17, 18 и 19) и задний поперечный элемент 13 (фиг.7-14, 17, 18 и 19), в которых расположены передний направляющий подшипник 14 (фиг.7-14, 17, 18 и 19) и задний направляющий подшипник 15 (фиг.7-14, 17, 18 и 19), а также упорные подшипники 16 (фиг.7-14, 17, 18 и 19) и 17 (фиг.7-14, 17, 18 и 19), которые могут быть расположены либо в переднем подшипнике 14, либо в заднем подшипнике 15.
Подшипники 16, 17 могут представлять собой подшипники скольжения или роликовые подшипники, смазываемые водой, смазкой, маслом, или быть сухими подшипниками.
Тепло, возникающее в результате механического трения в подшипниках, передается в поток воды. В случае, когда подшипники смазываются маслом, рассеивание тепла может осуществляться с использованием внешних теплообменников.
Передний направляющий подшипник 14 и задний направляющий подшипник 15 являются опорами вала 18 устройства (фиг.7-14,17,18 и 19).
На фиг.3 и 15 показаны постоянные магниты 1, расположенные на поверхности ротора 7 генератора.
На фиг.4 и 16 показаны постоянные магниты 1, которые вставлены в ротор 7 генератора.
Турбина генератора может быть турбиной пропеллерного типа или турбиной Каплана.
Лопатки 11 гидротурбины 2, показанные на фиг.7-14, 17, 18 и 19, могут быть выполнены неподвижными, регулируемыми при сборке, или управляемыми с использованием механизмов гидравлических или электрических систем.
Вал 18 устройства имеет возможность радиального и продольного позиционирования при установке.
Ступица 19 турбины, показанная на фиг.7-14, 17, 18 и 19, может быть цилиндрической, сферической, эллиптической или любой другой формы, которая обеспечивает возможность поворота лопаток 11.
Если лопатки 11 гидротурбины являются управляемыми, они имеют возможность поворота относительно ступицы 9 турбины.
Регулирование электрического напряжения и частоты обеспечивается с помощью электронного, электромеханического или гидравлического внешнего оборудования.
Направляющий аппарат с регулируемыми лопатками 11 способствует улучшению эффективности работы оборудования при переменной нагрузке и переменных параметрах потока.
Электрогенерирующее устройство может быть установлено следующим образом:
a. по отдельности:
al=горизонтально (перпендикулярно вертикальной плоскости);
а2=выровнено с вертикальной плоскостью;
а3=наклонено относительно вертикальной плоскости;
b. в виде нескольких устройств, сгруппированных следующим образом:
b1. устройства расположены рядом друг с другом горизонтально и параллельно, причем плоскость общего поперечного сечения роторов турбины расположена перпендикулярно направлению основного потока воды;
b2. одно устройство расположено над другим по вертикали (также параллельно), при этом плоскости серединного поперечного сечения роторов турбины расположены перпендикулярно направлению основного потока воды;
b3. устройства расположены последовательно (вода в устройство поступает из выхода предыдущего устройства)
b4. устройства сгруппированы в один или несколько модулей, которые можно включать и выключать индивидуально или в группах.
Важно понимать, что изобретение не ограничено описанными выше деталями и этапами. В настоящем изобретении могут использоваться некоторые другие методики, и оно может быть осуществлено различным образом, при этом следует понимать, что использованная терминология предназначена для описания, а не для ограничения.