本發明涉及用于發電機的轉子。

本發明主要開發用于水利發電機的轉子。此類發電機用來將諸如水和風等流動流體的動能轉換成電力。

背景技術：

諸如水和風等流動流體中的動能是用于發電的能源，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電的同時會將有害的燃燒氣體排放到大氣中，通過使用流動流體發電對大氣沒有不利的影響或影響很小。

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

已知的水力發電機通常具有轉子，該轉子包括中心輪轂，兩個或更多向外延伸的葉片附接到中心輪轂。轉子由驅動軸連接到旋轉式功到電力轉換器(即，發電機)。流經轉子葉片的流體導致葉片旋轉，繼而導致轉換器旋轉并且發電。

已知的轉子具有相對較小直徑的輪轂和相對細長的葉片。葉片還具有相對較高的長寬比(即，葉片長度與葉片寬度之比)。此類葉片易產生較高的工作負載并且經受湍流流體流中的極限彎矩。這一般會導致葉片斷裂。

發明目標

本發明的目標是大體上克服或至少改善上述缺點。

技術實現要素：

在第一方面，本發明提供用于水力發電機的轉子，包括：

輪轂，其具有圓形截面形狀和縱向旋轉軸，

多個葉片，每個葉片都具有近端葉根和遠端葉尖，葉片葉根中的每個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。

在一個實施例中，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安裝到輪轂的區域中，輪轂表面的剖面半徑優選介于輪轂的最寬部分的半徑的1/6與相等之間。

附圖說明

現在將參考附圖僅通過實例的方式來描述本發明的優選實施例，在附圖中：

圖1是轉子的第一實施例的正視圖；

圖2是帶有流線的圖1所示轉子的立體圖；以及

圖3是具有第二實施例的轉子的水力發電機的截面側視圖。

具體實施方式

圖1和圖2示出用于適合安裝在潮汐流環境中的水力發電機的轉子10。轉子10包括輪轂12，所述輪轂具有圓形截面形狀和縱向旋轉軸14。轉子10還包括7個等角度間隔開的葉片16。輪轂10由玻璃強化塑料(GRP)或金屬表皮形成，并且葉片16由碳纖維金屬復合材料形成。

葉片16中的每個都具有近端葉根16a和遠端葉尖16b。葉片16中的每個都在葉根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。在所示實施例中，直徑D2:D1之比是約1.4:1。

圖2示出相對于流體流的流線18的轉子10，說明當流體在輪轂12周圍流動時，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的區域中。

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

關于后一個問題，葉片的彎矩是葉片的長寬比的函數。例如，具有8:1長寬比的葉片將導致葉根中的應力值比具有4:1長寬比的相同葉片高16倍。在具有相對較小直徑的輪轂的已知3葉片轉子中，由于輪轂的直徑限制，葉片在葉根處可只具有有限的弦長。弦長的這種限制意味著否則當需要理想翼面時，葉片葉根厚度必須增加，以提供足夠的強度。

安裝到相對較小輪轂的相對較長葉片還導致在給定的轉數/分鐘(RPM)下出現較低的表觀速度和較小的轉矩半徑。

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矩半徑相結合，導致對此類(已知)3葉片轉子的總功率貢獻降低。這是因為在較小輪轂/較大3葉片配置中的葉片外部1/3做了功的63％。這是構成總表面積的56％的葉片外部30％的掃掠面積和產生可忽略的功率的葉片內部30％的組合。

相比之下，轉子10的配置(即，相對較大的輪轂14、相對較短的葉片16、數量相對多的葉片16)將流體流重新引導并且集中在內部2/3區域，并且通過可提取100％功率的外部1/3區域來使其加速。有利的是，這意味著葉片16以最大能力操作的同時經歷較低的應力負載。

換言之，轉子10的D2:D1比例將葉片16放在具有理想葉片長度的輪轂12周圍的加速區以在該區中操作。如果葉片相對于輪轂的直徑太長，那么葉片葉尖反而在沒有流體加速的區域中操作，并且因此不貢獻正轉矩。

圖3示出具有第二實施例的轉子32的水力發電機30。轉子32具有輪轂34和十個葉片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、驅動軸44、齒輪箱46、支撐梁48、水封50、軸承52以及旋轉發電機54。梁48用來將發電機30連接到浮動的部署裝備(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相連接的區域中的剖面半徑。在所示優選配置中，半徑R是輪轂34的半徑的1/6。這個特定的比例將流的加速度最大化，同時避免湍流。

發電機30的一種優選形式具有下列規格：

輪轂直徑D1：2.4米

葉片葉尖直徑D2：4.8至3.6米

發電范圍：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

發電機30的另一優選形式具有下列規格：

輪轂直徑D1：20米

葉片葉尖直徑D2：32至30米

發電范圍：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(相對較大)輪轂直徑與(相對較小)葉片直徑之比，水力發電機具有若干優點。

第一，流體流中的能量在一組小葉片上集中并且加速，從而提高轉子的效率。

第二，多個(例如，7個)較小葉片的總體積小于少量(例如，3個)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一值。這等同于葉片在跨度上的扭轉幾乎為零，并且允許葉片在槳距控制下鉸接，而不產生任何葉片扭轉導致的性能損失。此外，在操作期間調節槳距的能力意味著轉子可在獨立于流速的恒定rpm下運行。這允許發電機在直接連接到電網的恒定rpm下運行，從而消除電頻率逆變器驅動系統的成本。

第五，在快速流動潮汐流中操作的轉子經受流中較高的湍流強度。在較大輪轂周圍的水的流動加速度的作用會降低進入葉片區域的湍流的強度。這提高了葉片在高度湍流環境中的抗毀性。

盡管已參考優選實施例描述了本發明，但所屬領域的技術人員將了解，本發明可體現在其他形式中。