技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及一种用于水力发电的齿轮泵单元。更具体地，双向齿轮泵单元采用经改造的
增压器来发电。
背景技术
[0002] 通过应用利用水来转动
涡轮机——其继而使发
电机中的金属轴转动——的简单概念，水力发电机利用
能量来产生电力。
涡轮机是水力发电机的重要构件。涡轮机是利用流动的
流体来产生
电能的装置。部件之一是
转轮(runner)，其是涡轮机的将落下的水的能量转变为机械能的旋转部件。
[0003] 存在两种主要类型的水力涡轮机，即冲击式和反动式。冲击式涡轮机利用水的速度来使转轮移动并排出处于
大气压下的水。涡轮机的下游侧不存在抽吸，并且水在撞击转轮之后从涡轮机壳体的底部流出。冲击式涡轮机通常适合于高压头应用。
[0004] 反动式涡轮机由压力和移动的水的组合作用产生动力。转轮直接布置在流过
叶片的水流中。反动式涡轮机通常用于压头比冲击式涡轮机低的部位。反动式涡轮机必须被包围以容纳水压，或它们必须完全浸没在水流中。
[0005] 现有的水力发电机在低(＜30m)和中(30-300m)压头应用中使用离心装置，比如螺旋桨和
叶轮。压头是由于涡轮机的进水口和水力涡轮机之间的高度差而形成的压力。许多螺旋桨和叶轮型涡轮机需要高压头来有效地工作，但许多地理
位置不具有足够的高度变化以形成高压头。
[0006] 为了形成压头，可以使水聚集或转移。因此，一些系统采用泵来使水移动，以使得它能通过涡轮机。由于设置了针对于涡轮机的一组管道和转移机构以及用于泵的第二组这种设备，这增加了复杂性。
发明内容
[0007] 本发明提出了一种能够使大量水以双向方式移动的改进的齿轮泵和涡轮机单元。该单元能通过冲击式和反动式涡轮机两者的利用属性而在高、低压头应用中有效地工作。
而且，该装置能以完全或部分浸没的方式工作并且在根本没有浸没时能利用虹吸效应来工作。该装置能以任意取向安装，从而缓解用于发电的精确对准的问题。
[0008] 在一个
实施例中，一种用于水力发电的齿轮泵单元可包括齿轮泵(131)。所述齿轮泵(131)包括
外壳(131B)，所述外壳包括流体入口(132)和出口(135)。第一
转子(133)位于所述外壳(131B)内，所述第一转子包括多个径向地隔开的第一齿(133A，133B，133C)，其中所述多个径向地隔开的第一齿沿顺
时针方向螺旋地包绕在所述第一转子周围。第二转子(134)位于所述外壳(131B)内，所述第二转子包括多个径向地隔开的第二齿(134A，134B，134C)，其中所述多个径向地隔开的第二齿沿逆时针方向螺旋地包绕在所述第二转子周围，并且其中所述多个第一齿与所述多个第二齿
啮合。轴(136)与所述第一转子(133)和所述第二转子(134)操作性地连接。发电机(138)与所述轴(136)操作性地连接。控
制模块150与所述齿轮泵(131)操作性地连接并且构造成选择性地使所述第一转子沿第一方向旋转且选择性地使所述第二转子沿第二方向旋转。所述控制机构还布置成选择性地反转所述第一转子的旋转方向以及选择性地反转所述第二转子的旋转方向。
[0009] 一种水力发电齿轮泵单元(130)的操作方法包括向齿轮泵(131)的外壳(131B)的入口(132)供给流体的步骤。流体通过使所述外壳(131B)内的第一转子(133)旋转而移动通过所述外壳(131B)的腔室(131A)，所述第一转子包括多个径向地隔开的第一齿(133A，133B，133C)。流体通过同时使所述外壳(131B)内的第二转子(134)旋转而移动通过所述外壳(131B)的腔室(131A)，所述第二转子包括多个径向地隔开的第二齿(134A，134B，133C)。
流体经所述齿轮泵外壳(131B)的出口(135)排出。通过将所述第一转子的旋转能和所述第二转子的旋转能与发电机(138)耦合来产生电力。通过反转所述第一转子和所述第二转子的旋转以使流体从所述出口(135)移动到所述入口(132)来进行泵送。
[0010] 应理解，前文的总体描述和下文的详细描述只是示范性和说明性的，并非对
权利要求的限制。
附图说明
[0011] 结合在本
说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的原理。
[0012] 图1A是高压头水力发电系统的示意图。
[0013] 图1B是高压头水力发电系统的可选示意图。
[0014] 图2是齿轮泵单元的示意图。
[0015] 图3是TVS型
增压器齿轮泵单元的示意图。
[0016] 图4是低压头应用的示意图。
具体实施方式
[0017] 现在将详细说明本发明的示例性实施例，其示例在附图中被示出。在可能的情况下，在所有附图中将使用相同的附图标记来指代相同或相似的部件。在本说明书中，上游和下游是说明流体流动环境中的部件之间的关系的相对用语。水在按照自然力量流动时从第一上游位置移动到第二下游位置。当机械装置介入时，流动方向可以被改变，因此用语“上游”和“下游”有助于说明关于水将自然地流到的位置(下游)的自然出发点(上游)。
[0018] 图1A示出水力发电系统10的示意图。在此示例中，系统10是具有形成水的蓄水池110的坝体100的高压头系统。系统10包括压力水管(penstock)120和齿轮泵单元130。压力水管120可以是从齿轮泵单元130的上游延伸到齿轮泵单元130的管状结构。压力水管120是用于水的管道。压力水管120可被分成三个主要部分。压力水管120的第一腿部120A布置在蓄水池110中。蓄水池110位于河流160的上游部分中。压力水管120的顶部部分或第二部分
120B位于坝体100的顶部上。压力水管120的第三腿部120C位于蓄水池110的下游侧。腿部
120C延伸到齿轮泵单元130的入口端口132以供给水。齿轮泵单元130与压力水管120连接以向上游泵送水，从而使水返回蓄水池110。此外，齿轮泵单元130可在涡轮机模式下工作以利用经压力水管120从蓄水池110来到河流160的水进行水力发电。齿轮泵130可如图所示浸没在水中，或可以不完全浸没。如图1B所示，平台170将齿轮泵单元130支承在河流160上方，并且尾水渠(tailrace)或第四腿部120D从齿轮泵单元130伸出到河流160中。可替代地，第四腿部120D可被包括在图1A的浸没实施方式上。
[0019] 齿轮泵单元130可以调整以用于泵送空气、水或空气与水的混合物。齿轮泵单元130是以罗茨式增压器为模型的正
排量泵。与自动增压器相比，入口和出口端口被调节成用于提供具有最低限度的压缩或不具有压缩的流体流。转子
角度也被调节成用于适应水的速度，其基于可获得的压头。由于正排量泵可针
对流体流进行优化，所以它可使水、空气或水与空气的混合物移动。它不需要纯水流以在涡轮机模式或泵模式下工作。
[0020] 齿轮泵单元130是双向的，这意味着它可从蓄水池110接收水并将它排出到河流160。齿轮泵单元130还可从河流160进行虹吸并泵送流体回到蓄水池110。齿轮泵单元130还可以在涡轮机模式下工作以产生电力。
[0021] 当在正向泵(forward pump)模式下工作时，齿轮泵单元130经压力水管120的腿部120A从蓄水池110向上抽吸水，然后将水供给到压力水管的腿部120C。更具体地，一旦齿轮泵单元130被启动，它便可以从腿部120A向上抽吸水。水行进通过第二腿部120B，第二腿部
120B可被嵌入在坝体100中或者装配或改装到坝体100的顶部上，如图所示。齿轮泵单元130进行的抽吸使得将水
抽取通过第三腿部120C。一旦足够的流体被抽吸到第三腿部120C中，则齿轮泵单元130可以停止将水抽吸到压力水管120中。只要第一腿部120A保持浸没在水中，虹吸作用就会将水从蓄水池110经压力水管120供给到齿轮泵单元130。因此，一旦建立了虹吸作用，齿轮泵单元130便从正向泵送模式变换为涡轮机模式。如有必要，齿轮泵单元
130即使在虹吸作用建立之后也可在泵模式下工作，以用于诸如从蓄水池110泵送的目的。
[0022] 通过采用
控制模块150，齿轮泵单元130能接收在正向、反向或涡轮机模式下工作的
电子指令。在控制模块150中包括
传感器实现了反馈控制。
[0023] 尽管图1A中的压力水管120的布置被示出为围绕坝体100并且在露天中，但其并不受此限制。压力水管120也可布置在水平面下方，被完全浸没。因此，齿轮泵单元130和压力水管可被安装在原始的坝体100的
基础结构中，或者它可被改装，或者它可直接安装在河流中。它可代替原始的设施，或补充其容量。
[0024] 图2更详细地示出齿轮泵单元130。齿轮泵单元130包括齿轮泵131和发电机138。齿轮泵131包括入口132、转子133和134、腔室131A以及出口135。齿轮泵单元130可浸没在水中。此外，齿轮泵单元130可部分地位于水的外部。齿轮泵131能通过壳体中的转子的适当设计来避免空穴效应。为了抽出空气并经齿轮泵单元131供给水，入口132和出口135具有允许水或空气行进通过齿轮泵131的端口。入口132可具有与压力水管120的一些部分的连接性。而且，出口135可具有与压力水管的尾水渠或第四腿部120D的连接性，以在泵模式期间浸没所消耗水的排出点并能够接近水。在第四腿部120D的出口附近可设置水池以有利于浸没。
[0025] 齿轮泵131是诸如罗茨式增压器之类的正排量泵。优选伊顿公司的TWIN VORTICES SERIES TVS螺旋转子增压器。随着流体经入口132进入，腔室131A内的转子133和134将流体、空气或水截留在转子的齿与外壳131B之间。外壳131B封装转子133和134。随着转子旋转，流体被从出口135排出。
[0026] 转子133、134的形状可以相同。每个转子133、134都可具有多个齿133A、133B、133C、134A、134B、134C。例如，图2中的每个转子都具有三个齿，但可使用其它数量的齿，例如每个转子两个或四个齿。
[0027] 作为对比，在常规齿轮
马达和泵中，存在15-25个齿。这些常规齿轮的直径为1-3英寸。由于齿轮具有相对小的直径和高的齿数，所以移动的水量小。结果，所产生的功率受到限制。相比而言，齿轮泵131的每个转子具有3-4个齿，这些齿具有高达40英寸的很大直径。由于较大的直径，本发明的齿轮泵131每个齿都泵送更大量的水。在大型
水电应用中，齿轮泵单元131可包括直径为25-40英寸的低齿数齿轮。所述齿将具有低的径节(diametral pitch)并且每个齿将泵送大量水。较低齿数和较大水量提高了设备的排放效率。所给出的尺寸仅仅是示范性的，可以针对应用对尺寸进行调节。
[0028] 此外，作为比较，通常齿轮马达或涡轮机上具有约15-25个齿。这些齿的直径为1-3英寸。由于这些齿具有相对小的直径，所以排水量较小。结果，所产生的功率受到限制。相比而言，齿轮泵131的每个转子都具有3-4个直径为3-6英寸的齿。由于较大的直径，本发明的齿轮泵131的每个齿泵送更大量的水。在大型水电应用中，齿轮泵单元131可包括每个齿的直径为25-40英寸的低齿数的齿。所述齿将具有低的径节并且每个齿将泵送大量水。较低齿数和较大水量提高了水力发电的能量效率。它还提高了涡轮机的旋转速度，这降低了直接联接的发电机的成本。
[0029] 为了进一步降低材料的成本，所述齿可被制成空心的。为了帮助提高效率，所述齿可被包覆耐
腐蚀和耐磨的
金属粉末，例如伊顿公司的EATONITE。其它材料——包括低
摩擦材料——也提高效率。因此，转子和/或齿可被涂覆包括IN718、IN625、钴铬
合金、不锈
钢、
钛合金、镍基超合金和涂层、超高强度钢和金属基质纳米
复合材料的材料。因此，齿轮泵131可利用
激光焊接、激光辅助的
增材制造、激光
表面处理和加工、增材制造(AM)技术以及
近净成形(NNS)技术进行制造。
[0030] 容积排量设备如齿轮泵131具有比传统涡轮机好得多的空气/
水处理特性。与阿基米德式螺旋抽水机、
轴流式涡轮机系统或离心系统不同，本发明的齿轮泵131具有双转子和赋予转子的螺旋结构。这在低或高压头应用中提高了效率。此外，与阿基米德式螺旋抽水机不同，容纳有双涡旋(TVS)增压器，从而允许它利用通过使转子转动的水的速度实现的冲击式涡轮机特性和通过在封壳中建立的压力实现的反动式涡轮机特性两者。齿轮泵131还被设计成双向地进行泵送，这对阿基米德式螺旋抽水机或
现有技术的冲击式或反动式涡轮机而言是不可能的。TVS也不受取向、位置、空穴效应、尾水和尾流规模(tail size)的影响。
[0031] 图2示出了具有三个齿133A、133B和133C的转子133。类似地，转子134具有三个齿134A、134B和134C。其它齿数是可能的。例如，每个转子可具有2到5个齿。为促进转子啮合，转子133和134应当具有相同的齿数。转子133、134可以是螺旋的。所述齿可在转子的长度上扭转以使得各个齿缠绕在它们各自的转子周围。作为示例，所述齿可在转子的长度上扭转
120度，或所述齿可在转子的长度上扭转60度。扭转程度基于应用场合的压头而变化。扭转程度还取决于齿数、转子的外径和转子的中心距。理想情况下，所述齿将被优
化成具有针对给定应用的最大可能的扭转。
[0032] 此外，每个齿都具有径节或所述齿自其转子突出的角度。与自动增压器相比，用于水应用场合的齿轮泵具有较低的径节。所述齿在转子旋转时啮合。例如，转子133的齿133A、133B、133C顺时针扭转，而转子134的齿134A、134B、134C逆时针扭转。转子133、134啮合在一起并进行
齿轮传动以沿相反的方向旋转。转子133、134响应于来自控制模块150的指令而旋转以用于涡轮机模式或泵模式。
[0033] 进入齿轮泵131的水的速度取决于与源的压头有关的水的压力。设备的旋转速度将取决于转子的长度、齿的扭转和可用流体的压力。对于给定的压力，转子的长度越小，转子将旋转得越快。理想而言，转子的设计是针对在自由流动条件下的每分钟最大转数(RPM)而设置的。然而，由于理想条件可能不是主导条件，所以转子也可针对最普遍条件期间优化流体流动而设计。当转子被优化时，水的所有压力都转换为速度，该速度然后变成转子的旋转速度。
[0034] 齿轮泵的尺寸将与可用的流体流的量相关。转子133、134的长度基于水供给源的压头因应用而异。齿轮泵131的尺寸还由转子133、134的长度决定。
[0035] 齿轮泵131用作产生电力的涡轮机。这通过被设定在涡轮机模式下的齿轮泵131进行。在此模式下，水从蓄水池110经由压力水管120流到齿轮泵单元130。进入齿轮泵131的入口132中的水流被截留在转子133的相邻的齿——例如齿133A和133B——之间的间隙中。水流被截留在转子134的相邻的齿——例如齿134A和134B——之间的间隙中。被截留的水流使齿轮泵131转动。在转动齿轮泵131的齿之后，用过的水流经出口135从齿轮泵131被带出。出口135可呈三角形以与转子133、134的形状匹配，从而允许容易的排出。
[0036] 当水流转动齿轮泵131的转子时，经由传动齿轮与转子连接的轴136进行旋转。轴136又使发电机138旋转，这可通过直接联接或间接联接——例如经由带轮或其它转矩传递装置——来实现。图2示出发电机的直接旋转，因为轴136与发电机138连接。发电机138是将机械能转变为电能的装置，并且发电机138可包括一系列磁体和电线(未示出)以在电线中感生
电流，从而产生电力。该电力可被送到
电网137A以用于消耗，以及被送到蓄电装置，例如
电池137B。
[0037] 已描述了在涡轮机模式下水的运动。然而，空气或空气与水的混合物能够以类似方式移动通过齿轮泵131。此外，流体流动方向可被反转，使得水从河流160被泵送到蓄水池110。
[0038] 齿轮泵131可被设定在反向泵模式下。在反向泵模式下，齿轮泵131用作再充填蓄水池110的泵。各种控制电子器件如配线、传感器、发射装置、接收装置、计算装置、计算机可读存储装置、编程装置和
致动器装置，可被设计成实现控制机构150。编程实现了控制齿轮泵131的操作模式，例如在非高峰时段履行泵功能且在高峰时段履行涡轮机模式。作为一个示例，涡轮机模式期间产生的电力在用电高峰时段被供给到电网137A。在非高峰时段，利用涡轮机模式产生的电力被存储在电池137B中。所储存的电力被返还给
电动机138B提供动力，该电动机138B经由带轮
轮毂15与转子133和134的传动齿轮以及
输入轴相联系。当电动机138B转动时，它还使齿轮泵131反向转动。当齿轮泵131沿反方向转动时，它将水向上移动回到蓄水池110。由于齿轮泵131能使水向上移动回到蓄水池110，所以消除了设置单独的泵的必要性。结果，齿轮泵单元130利用比传统水力发电系统更少的部件和以简化的方式构成。还避免了许多闸控(gating)和转移(diversion)技术。反向泵模式可与图1A、1B和4中任一者联用。如果齿轮泵未完全或部分地浸没在水中，则至少尾水渠如第四腿部120D附着到出口135或235上并浸没在水中以实现水从下游的抽吸，以便由齿轮泵转移到上游。
[0039] 图3示出与发电机138和电动机138B相结合的由伊顿公司制造的TVS型增压器的一个示例。进行改造后，该TVS型增压器可被用作齿轮泵131。它是轴向输入、径向输出型增压器，具有与内部轴、传动齿轮以及转子133和134连接的带轮轮毂15。流体进入入口132并离开出口135。出口135由外壳131B中的开口21、23和25限定。这种增压器的细节可在通过引用整体并入本文的美国
专利7,488,164中找到。虽然未示出，但也可使用径向输入、径向输出型增压器作为齿轮泵131。在图3中，带轮用于将旋转能从带轮轮毂15传递到发电机138，或从电动机138B传递到带轮轮毂15。
[0040] 为了在泵或涡轮机模式下使用增压器作为齿轮泵，应当进行改造以有利于最大效率。这些改变是转子133、134的角度以及入口132和出口135的正时(timing)。转子应当具有低的径节以使得大量水能通过该单元。入口132、出口135和转子必须适应水的不可压缩性质，并且例如，入口132和出口135的端口尺寸被调节和制成为更大。而且，可以针对泵和涡轮机功能调节入口132和出口135的端口正时。
[0041] 当处于泵模式时，考虑水的速度来设计齿的扭转角度。由于在涡轮机模式或泵模式期间入口或出口处的压力的权衡，应当考虑泵模式或涡轮机模式的使用
频率针对特定的水力发电系统来调节扭转角度。尽管存在这种限制，但齿轮泵131的工作范围大于传统涡轮机，这是因为齿轮泵131的设计可以处理可变流量。
[0042] 出口的“密封时间”也应当被调节。“密封时间”指的是一定量的水在被截留在转子的相邻齿之间的同
时移动经过特定阶段的度数(在此称为控制体积)。当使水移动时，存在三个工作阶段：1)“初始密封时间”是期间所述控制体积暴露于入口端口的旋转度数；2“) 转移密封时间”是期间转移体积相对于入口端口密封的旋转度数；和3)“出口密封时间”是期间转移体积暴露于出口端口的旋转度数。为了发挥泵送功能，可以改变密封时间以避免水的压缩。一种操纵密封时间的方法是减小或增大入口端口的宽度。改变密封时间的确切方法(连同适当的密封时间)被确定为满足特定水力发电系统的需求。
[0043] 计算装置139通过命令控制模块150使齿轮泵130在涡轮机模式、抽吸模式或泵模式中的一种模式下工作来控制齿轮泵单元131。计算装置139的实施方案可因水力发电系统而异。例如，计算装置139可基于严格的时间而工作。换言之，通过设定高峰时段和非高峰时段，齿轮泵单元能在
指定时间段严格地执行特定操作。
[0044] 或者，计算装置139可操作为基于它所接收的反馈来改变模式。鉴于此，齿轮泵单元130和计算装置139可包括附加电子器件的网络，例如附加传感器的阵列。例如，传感器可以包括电网137A和电池137B中的电力传感器、蓄水池110中的水位传感器、压力水管120中的速度传感器、齿轮泵131中的RPM(每分钟转数)速度传感器、发电机138中的速度传感器和河流160中的水位传感器。这些传感器可与具有处理器、
存储器和存储的
算法的计算装置139电子地通信。计算装置139可向齿轮泵131发射在被动(涡轮机)、正向(抽吸)或反向(泵)模式下工作的控制指令。计算装置139可位于齿轮泵131内，或远离齿轮泵并具有在现场的合适通信装置。基于诸如电池中的低电量之类的反馈，齿轮泵131可在抽吸模式下工作以充填压力水管120，然后可切换到涡轮机模式以对电池充电。或者，如果蓄水池110中的水位传感器指示低水位，则齿轮泵131可在泵模式下工作以使水从河流160移动到蓄水池110。
[0045] 齿轮泵单元130可被构造为如图1A所示的水力发电系统10的构件。此外，齿轮泵单元130可通过成为模块化装置来补充已有的水力发电设备。当补充已有的水力发电设备时，齿轮泵131可简单地替代已有的涡轮机以提高已有系统的效率。或者，齿轮泵单元130可通过布设在已有的基础结构上而与已有的涡轮机和泵同时使用。
[0046] 图1B示出了模块化设计的另一益处，其实现了容易的维修和维护。平台170安装在河流160的水面处或附近。齿轮泵单元130和控制模块150布置在平台170上。齿轮泵131是可维修的且控制模块150容易更新。通过在外部安装在坝体100上，可以不必进入坝体100来维修压力水管120或齿轮泵单元130。中空转子的轻的重量进一步有利于模块化设计。
[0047] 图4示出了本发明的另一实施例。齿轮泵单元230可被置于小型河流中以产生电力。齿轮泵单元230可以是低压头水力发电机。齿轮泵单元230可经入口232接收来自水源200的水。水源200可以是沟渠或急流的河流或溪流。齿轮泵单元230包括齿轮泵231和发电机238。齿轮泵231和发电机238可经由轴236或通过带轮或其它机械联接装置彼此连接。齿轮泵单元230可构造为类似于参照图2所述的齿轮泵单元130，但是具有附加的改造以适应低压头应用中的流体速度的差别，例如通向入口232的压力水管220A放置在水下，以及在出口235处包括尾水渠压力水管220D。齿轮泵单元230可选地可包括与压力水管不同的流体转移机构，例如盘状结构。
[0048] 齿轮泵单元230可完全浸没在流动的水源的水面之下，或者可部分地浸没。如果流体流不足以转动涡轮机，则可利用电力通过在泵模式下工作和充填蓄水池结构来向上泵送水源。因此，在低压头应用中，特别有利地采用组合的发电机/电动机。然而，当不需要蓄水池并且流体流充足时，可使用不带昂贵的基础结构的齿轮泵单元230，从而使其节省成本且轻便。
[0049] 在以上说明书中，已参照附图说明了各种优选实施方式。然而，显而易见的是，可对其做出各种其它
修改和变更，并且可实施其它实施例，而不会脱离以下权利要求中阐述的本发明的更宽的范围。说明书和附图因此被视为是说明性的而非限制性的。
[0050] 根据说明书和对本发明的实践，其它实施例对本领域技术人员将显而易见。说明书和示例应当被认为只是示范性的，本发明的真实范围和精神通过以下权利要求指定。
