本公开总体上涉及水电能源系统和使用增材制造来制造这种系统的方法，并且更特别地涉及使用增材制造工艺来制造水电涡轮机的方法。
背景技术：
1、本文所使用的章节标题仅用于组织目的，不应被解释为以任何方式限制所描述的主题。
2、利用可再生能源，减少对碳基能源生产的依赖在当前是整个世界越来越关注的问题。为了减少对化石燃料的依赖，已经开发了多种能源生产技术，包括但不限于例如从流体流(例如，风流或水流)转换发电。这种能源转换系统通常依赖于涡轮机，在所述涡轮机中叶片与流体流(例如，来自风或水)相互作用，使得转子旋转，这使发电机旋转以发电。
3、在水电能源系统中，水电涡轮机用于从运动水体(例如，河流或洋流)或其他流体源中的流发电。例如，潮汐发电利用由潮汐流或者利用由于潮汐而造成的海平面上升和下降所引起的水运动。随着水位上升以及接着下降，产生水流或流体流。例如，来自江河的单向流动也会产生可用于发电的流。
4、依靠液体(例如，水)中的流的自然运动的水电能源被归类为可再生能源。然而，与比如风能和太阳能的其他可再生能源不同，水电能源是能够被可靠预测的。水流是一种清洁、可靠且可提前数年预测的可再生动力源，因此有助于与现有的能源网整合。此外，由于水(包括例如海水)的基本物理特性，即其密度(其可以为空气密度的832倍)及其不可压缩性，与用于产生可再生能源的其他可再生能源相比，这种介质具有独特的“超高能量密度”潜力。一旦考虑到世界范围内的许多沿海地区/河流地区和/或可用地区中呈现的体积和流速，这种潜力就会被放大。
5、除了产生电力以用于分配到电网之外，可再生能源(包括但不限于流体流能源转换系统)可以用于通过使用由这些系统所产生的电力为电解装备(电解槽)提供动力来生产氢气。由于水电能源系统依靠并与大型水体共存，因此水电能源系统特别适合使用电解生产氢气。例如，由电解过程产生的氢气可以储存起来并且用作非碳基形式的燃料。
6、因此，水电能源可以提供无污染的电力、氢气生产和/或可以帮助减少目前世界对石油、天然气以及煤炭的依赖的其他可用形式能源的高效长期的源。减少化石燃料资源的消耗继而可以有助于减少排放到全球大气中的温室气体。
7、使用水电涡轮机(其将来自流体流的动能转换成旋转机械能)的发电是众所周知的。然而，水电能源系统通常相对复杂并且需要定制部件和零件，所述定制部件和零件使得大规模生产此类系统所需的成本可能很高。在安装位置处组装此类大型且复杂的系统还可能面临额外的挑战，这些系统通常具有需要紧固在一起的多个部件。
8、期望提供一种水电能源系统，所述水电能源系统不仅具有坚固的构型，而且还能高效地生产和组装。还期望提供一种水电能源系统，所述水电能源系统的设计使得需要组装的零件的数量最小化(例如在安装位置处)。还期望提供一种设计灵活并且可扩展以适应不同应用的水电能源系统。
技术实现思路
1、本公开的示例性实施例可以展示上述期望特征中的一个或多个。根据下面的描述，其他特征和/或优点可以变得显而易见。
2、其他目的和优点将部分地在下面的描述中阐述，并且部分地通过所述描述变得明显，或者可以通过实践本教导而学习到。借助于在所附权利要求中特别指出的元件和组合，可以实现和获得本公开的目的和优点中的至少一些。
3、根据本公开的一个方面，提供了一种水电能源系统。该水电能源系统包括静止环结构，所述静止环结构包括静止环基座和至少部分地设置在由静止环基座所限定的开口内的静止环背衬。静止环基座具有多个第一发电元件。水电能源系统还包括旋转环结构，所述旋转环结构包括旋转环基座和设置在旋转环基座的外周表面的径向外部的叶片支承环。旋转环基座具有多个第二发电元件。旋转环基座设置在静止环基座的外周表面的径向外部并且配置成围绕旋转轴线环绕静止环基座旋转。该水电能源系统还包括至少一个轴承机构，所述轴承机构配置成在旋转环基座环绕静止环基座旋转期间相对于静止环结构支承旋转环结构。在旋转环基座环绕静止环基座的旋转期间，静止环背衬配置成处于压缩中并且以堆叠构型在沿着基本平行于旋转轴线的方向流动的流体流内支承静止环基座、旋转环基座和叶片支承环。
4、根据本公开的另一个方面，提供了一种制造包括静止环结构和旋转环结构的水电能源系统的方法。该方法包括打印用于静止环结构的基座。静止环基座在其外周表面内具有至少一个狭槽。至少一个狭槽被配置成接收多个第一发电元件。该方法另外还包括将静止环模具定位在静止环基座的内周表面上，以在静止环模具和静止环基座之间形成内腔。该方法还包括将轴承材料固定至静止环基座的外周表面。该方法还包括在轴承材料上插入可磨损材料的薄层。在水电能源系统的操作期间，所述可磨损材料配置成磨损掉以在静止环结构和旋转环结构之间形成轴承间隙。该方法还包括在可磨损材料上打印用于旋转环结构的基座。旋转环基座具有至少一个狭槽，所述狭槽被配置成接收多个第二发电元件。该方法还包括利用芯材料填充形成在静止环模具和静止环基座之间的内腔。芯材料被配置成硬化以形成静止环结构的背衬。该方法还包括打印包括一个或多个叶片的叶片支承环。每个叶片从叶片支承环径向向内以及从叶片支承环径向向外延伸。叶片支承环被配置成与旋转环基座相联接以形成旋转环结构。
5、根据本公开的其他方面，提供了一种制造用于水电能源系统的静止环结构的方法。所述方法包括打印用于静止环结构的基座。所述基座呈具有u形截面的圆环形。所述u形截面包括基部以及基本上垂直于所述基部延伸的第一侧壁和第二侧壁。基座具有至少一个狭槽，狭槽被配置成接收多个发电元件。该方法还包括将多个发电元件固定在基座的至少一个狭槽内。该方法还包括用模具覆盖在基座上面，使得模具邻接第一侧壁和第二侧壁，并且基座和模具一起限定密封的内腔。该方法还包括用芯材料填充内腔。芯材料被配置成硬化以形成静止环结构的背衬。
6、根据本公开的其他方面，提供了一种制造用于水电能源系统的旋转环结构的方法。该方法包括打印用于旋转环结构的基座。基座呈具有u形截面的圆环形状并且具有配置成接收多个发电元件的至少一个狭槽。该方法还包括将多个发电元件固定到基座的所述至少一个狭槽中。该方法还包括打印包括一个或多个叶片的叶片支承环。每个叶片既从叶片支承环径向向内延伸，又从叶片支承环径向向外延伸。叶片支承环被配置成与基座相联接以形成旋转环结构。
7、应当理解的是，前面的一般描述以及下面的详细描述仅仅是示例性和解释说明性，并且不限制本公开和权利要求(包括等同物)。应当理解，本公开和权利要求在其最广泛的意义上可以在不具有这些示例性方面和实施例的一个或多个特征的情况下被实施。例如，本领域普通技术人员将理解，以下关于水电能源系统和方法的详细描述仅是示例性的，并且所公开的系统和方法可以具有各种部件，其利用各种水电涡轮机、机械能传输部件、齿轮组件以及发电机来收集、传递机械能以及将该机械能转换为电能。
1.一种水电能源系统，所述水电能源系统包括：
2.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述叶片支承环包括多个叶片，所述多个叶片中的每个叶片均包括相对于所述叶片支承环径向向内延伸的第一叶片部分和相对于所述叶片支承环径向向外延伸的第二叶片部分，所述多个叶片被配置成与所述流体流相互作用。
3.根据权利要求2所述的水电能源系统，其中，所述旋转环基座包括多个狭槽，并且所述叶片支承环包括多个叶片支承分段，每个所述叶片支承分段包括所述多个叶片中的一个叶片，所述旋转环基座的每个狭槽被配置成接收相应的叶片支承分段。
4.根据权利要求2所述的水电能源系统，其中，所述旋转环基座和所述叶片支承环是单个整体结构。
5.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述多个第一发电元件包括多个层叠线圈，所述层叠线圈中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体互锁在所述静止环基座中的相应狭槽内。
6.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述多个第二发电元件包括多个层叠磁体，所述层叠磁体中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体互锁在所述旋转环基座中的相应狭槽内。
7.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述静止环背衬包括混凝土结构。
8.根据权利要求1所述的水电能源系统，其中，所述静止环背衬包括静止环模具，所述静止环模具环绕所述静止环背衬的外周表面布置并且配置成与所述旋转环基座联接。
9.一种制造包括静止环结构和旋转环结构的水电能源系统的方法，所述方法包括：
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个第一发电元件包括层叠线圈环和铁背衬，所述铁背衬具有配置成将所述线圈安装在所述静止环基座的所述至少一个狭槽内的栓钉。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法还包括将所述多个第一发电元件插入到所述至少一个狭槽中，并且用环氧树脂将所述多个第一发电元件固定就位于所述至少一个狭槽内。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述静止环基座的所述至少一个狭槽包括多个狭槽，并且所述多个第一发电元件包括多个层叠线圈，所述层叠线圈中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体被配置成被接收在所述多个狭槽中的相应狭槽内并且与所述相应狭槽互锁。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述静止环模具定位在所述静止环基座上包括将所述静止环基座放置在刚性支承结构内以及使所述静止环模具降低到所述支承结构上。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述静止环模具具有一个或多个开口，当所述静止环模具定位在所述静止环基座上时，所述一个或多个开口与所述静止环基座相对。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括将相应的支腿插入到所述一个或多个开口中的每个开口中。
16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括将支脚安装到所述相应的支腿中的每个支腿上。
17.根据权利要求16所述的方法，所述方法还包括，在插入所述可磨损材料之前，从所述刚性支承结构移除所述静止环基座和所述静止环模具的组件并且经由所述支腿和支脚支承所述组件。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括，在填充所述静止环模具和静止环基座之间形成的所述内腔之前，将所述旋转环基座、所述静止环基座和所述静止环模具的组件放置在所述刚性支承结构内。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法还包括，在打印所述叶片支承环之前，从所述刚性支承结构移除所述组件，并且经由所述支腿和支脚支承所述组件。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，从所述刚性支承结构移除所述组件包括从所述静止环结构的所述背衬移除所述静止环模具。
21.根据权利要求9所述的方法，其中，用所述芯材填充所述内腔包括将混凝土挤出到所述内腔中。
22.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述轴承材料固定到所述静止环基座的所述外周表面包括将热塑性轴承材料的饰面打印在所述静止环基座的所述外周表面上。
23.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述轴承材料固定至所述静止环基座的所述外周表面包括沿着所述静止环基座的所述外周表面安装一个或多个轴承板。
24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述一个或多个轴承板由vesconite、铁梨木和/或不锈钢材料制成。
25.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述轴承材料固定至所述静止环基座的所述外周表面包括沿着所述静止环基座的所述外周表面安装一个或多个磁性轴承。
26.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述可磨损材料的薄层插入在所述轴承材料上包括将所述可磨损材料的薄层打印在所述轴承材料上。
27.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述水电能源系统的操作期间，所述轴承间隙配置成填充有流体以形成液体动力轴承。
28.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个第二发电元件包括层叠磁体环和铁背衬。
29.根据权利要求28所述的方法，所述方法还包括将所述多个第二发电元件插入到所述旋转环基座的所述至少一个狭槽中，并且将所述多个第二发电元件用环氧树脂固定就位在所述至少一个狭槽内。
30.根据权利要求9所述的方法，其中，所述旋转环基座的所述至少一个狭槽包括多个狭槽，并且所述多个第二发电元件包括多个层叠磁体，所述层叠磁体中的每个被封装在相应的块体中，每个所述块体被配置成被接收在所述多个狭槽中的相应狭槽内并且与所述相应狭槽互锁。
31.根据权利要求9所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括将所述叶片支承环作为单个整体结构直接打印到所述旋转环基座上。
32.根据权利要求9所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印多个叶片支承分段，每个所述叶片支承分段包括相应的叶片。
33.根据权利要求32所述的方法，其中，所述旋转环基座包括多个叶片狭槽，每个所述叶片狭槽配置成接收相应的叶片支承分段，使得所述叶片支承分段的叶片既从所述旋转环基座径向向内延伸又从所述旋转环基座径向向外延伸。
34.根据权利要求33所述的方法，所述方法还包括将相应的叶片支承分段固定到所述多个叶片狭槽中的每个叶片狭槽中。
35.根据权利要求9所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印所述叶片支承环的外蒙皮，所述外蒙皮具有中空内腔。
36.根据权利要求35所述的方法，所述方法还包括在打印所述外蒙皮之后，用芯材料填充所述中空内腔。
37.一种制造用于水电能源系统的静止环结构的方法，所述方法包括：
38.根据权利要求37所述的方法，所述方法还包括将轴承材料固定至所述基座的外周表面。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述模具具有一个或多个开口，当所述模具覆盖所述基座时，所述一个或多个开口定位成与所述基座相对。
40.根据权利要求39所述的方法，所述方法还包括将相应的支腿插入到所述一个或多个开口中的每个开口中。
41.根据权利要求40所述的方法，所述方法还包括将支脚安装到所述支腿中的每个上。
42.根据权利要求37所述的方法，其中，用所述芯材料填充所述内腔包括将混凝土挤出到所述内腔中。
43.根据权利要求37所述的方法，其中，所述多个发电元件包括多个层叠线圈，所述多个层叠线圈中的每个被封装在相应的块体中，并且其中将所述多个发电元件固定在所述至少一个狭槽内包括将所述块体的每一个块体互锁在所述至少一个狭槽的相应狭槽内。
44.一种制造用于水电能源系统的旋转环结构的方法，所述方法包括：
45.根据权利要求44所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括将所述叶片支承环作为单个的整体结构直接打印到所述旋转环基座的外周表面上。
46.根据权利要求44所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印多个叶片支承分段，每个所述叶片支承分段包括相应的叶片。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，所述基座包括多个叶片狭槽，每个所述叶片狭槽配置成接收相应的叶片支承分段，使得所述叶片支承分段的叶片既从所述基座径向向内延伸又从所述基座径向向外延伸。
48.根据权利要求47所述的方法，所述方法还包括将相应的叶片支承分段固定到所述基座的所述多个叶片狭槽中的每个叶片狭槽中。
49.根据权利要求44所述的方法，其中，打印所述叶片支承环包括打印所述叶片支承环的外蒙皮，所述外蒙皮具有中空内腔。
50.根据权利要求49所述的方法，所述方法还包括在打印所述外蒙皮之后，用芯材料填充所述中空内腔。
