[发明专利]具有浮力腔的浸没式水电涡轮机

说明书

技术领域

本发明总体上涉及利用水的流动产生电力的涡轮机或发电装 置的领域，无论流动是单向的(诸如流向河流或洋流中)还是双向 的(诸如潮汐流)，更具体地，本发明涉及这样的装置，其中流体 流引起大螺旋桨型的转子转动，该大螺旋桨型的转子具有设置在大 环形壳体内的环形外轮缘(rim)。还更具体地，本发明涉及这样的 装置，其中涡轮机浸没在水体中。

背景技术

用水电涡轮机来产生电力是公知的。典型地，涡轮机安装在坝 上，以便受控的流体流引起螺旋桨型的转子或叶片转动。这样相对 快速的水流条件已知为高水头(high head)条件。还已知将涡轮机 设置在低水头条件下，诸如海湾中、河口或近海的潮汐流所产生的。

虽然大多数涡轮机被构造成具有其上安装有叶片或叶轮的中 心旋转轴，但还已知制造出中心开口(open-centered)的涡轮机， 也就是已知的装有轮缘(rim-mounted)的涡轮机。具有中心开口的 转子、其中叶片安装在内环形圈或轮缘与外环形圈或轮缘之间并且 其中能量经外轮缘传递到保持转子的环形壳体的涡轮机在低水头 条件下(即，更缓慢的水流中)是尤其成功的。

中心开口、装有轮缘的涡轮机的实例可以在以下各项中看到： 1997年1月14日公布的第5,592,816号美国专利，该专利于2003 年12月2日作为RE38,336再次公布；2003年11月18日公布的第 6,648,589号美国专利；2004年5月4日公布的第6,729,840号美国 专利；以及2005年2月10日公开的美国专利公开US2005/0031442 (序列号10/633,865)。用于低水头(潮汐流)条件下的水电涡轮机 的实例可以在以下各项中看到：Heuss等的第4,421,990号美国专利； Vauthier的第6,168,373号和第6,406,251号美国专利；Susman等的 第GB 2,408,294号英国专利申请；以及Davis等的世界知识产权组 织国际公开WO 03/025385。

流体驱动的涡轮机被视为是使用化石燃料或原子能的发电装 置的环保替代物。在利用风或水大规模地产生电力而能够为大工业 中心、镇区、城市等供电时，需要设置大量的涡轮机，并且要求涡 轮机尽可能得大，以使每台涡轮机产生的电量最大化。这些涡轮机 的转子叶片的长度达到数米，通过一些实验设计得知叶片的长度超 过50米。

随着转子叶片的长度增加，出现了在较小的涡轮机或发电机中 没遇到过的结构和制造上的挑战。对于装有轴的涡轮机来说，难于 设置既坚固又轻便的长叶片。装有轮缘的涡轮机为该问题提供了解 决方案，其通过保持在具有环形狭槽或通道的壳体内的外支撑轮缘 来为叶片的每端提供环形支撑。为了产生电力，沿环形支撑轮缘间 隔有多个磁体，并且沿定子壳体内的接收通道间隔有多个线圈。由 转子磁场系统所建立的磁场穿过隔开转子与定子的间隙。转子的旋 转引起与线圈相关的磁通量改变，包括线圈中的电磁力。

在装有轮缘的涡轮机中，转子重量由壳体的下半部承受，因为 没有中心支撑轴或轴杆。对于大涡轮机来说，对于转子在壳体内的 初始起动以及一旦旋转实现后涡轮机的总效率，该负载和所产生的 摩擦作用可能是显著的。增加转子重量意味着增加旋转阻力，意味 着需要更大的流体流来克服固有的惯性和摩擦。对于用在低水头条 件下的水电涡轮机，这尤其是个问题。

发明内容

本发明的目的是为水电涡轮机提供一种改进的结构，其中转子 的重量减轻，以使转子有浮力。本发明的另一目的是提供这样的涡 轮机，其中重量减轻通过在转子中设置浮力腔(buoyant chamber) 来实现，从而对于浸没在水中的涡轮机来说，转子的大重量所导致 的消极重力效应通过增加的转子浮力而减小或抵消。

本发明是一种改进的流体驱动型涡轮机，其中转子叶片由外轮 缘支撑，且外轮缘保持在壳体内或由壳体保持，该壳体具有接收外 轮缘的通道。在典型结构中，涡轮机是发电机，其中磁体设置在转 子外轮缘上，并且线圈设置在壳体或定子通道中，以使转子在定子 内的转动产生电力。具体地，涡轮机是浸没在水体中的这类涡轮机。