專利名稱：將動(dòng)能傳輸至流體和從流體傳輸出來的制作方法
將動(dòng)能傳輸至流體和從流體傳輸出來本申請要求2005年6月1日提交的美國臨時(shí)專利申請60/685,891的優(yōu)先權(quán)。 技術(shù)領(lǐng)域本申請包括對于在Lee Arnold博士的美國專利4,184,805 (1980年1月)、美國 專利4,347,036 (1982年8月)和美國專利6,273,680 (2001年8月)中披露的方法和裝 置的改進(jìn)。本發(fā)明涉及使用包含在運(yùn)動(dòng)流體流中的動(dòng)能來產(chǎn)生有用功率的技術(shù)和裝置，更 具體地說，涉及僅僅由懸臂式吊桿來保持在運(yùn)動(dòng)流體中的翼葉柵。反相運(yùn)動(dòng)的翼葉 柵可以設(shè)置成利用需要兩個(gè)或多個(gè)自由度的顫動(dòng)現(xiàn)象從流體中提取能量以產(chǎn)生動(dòng) 力，或者利用同樣具有兩個(gè)或多個(gè)自由度的外部已編程的振動(dòng)來驅(qū)動(dòng)翼，使其將能 量從外部電源注入流體中以形成推進(jìn)或泵送。
背景技術(shù)：
可再生資源在幾個(gè)世紀(jì)以前是人類社會(huì)的主要能源，包括太陽能、風(fēng)能和水能、 波能和潮汐能。所有的可再生資源都源自太陽能，但是潮汐能除外，潮汐能源自月 球和地球的萬有引力(源自儲(chǔ)藏在地心中的熱量的地?zé)崮軓膰?yán)格意義上來說不是可 再生資源)。主動(dòng)和被動(dòng)的太陽能、風(fēng)能、水能、波能和海流能都源自地球氣候循 環(huán)，而地球氣候循環(huán)根本上又都是由太陽輻射所引起的。對于將可再生能源轉(zhuǎn)化成 有用功的有效手段的研究包括機(jī)械式風(fēng)力渦輪機(jī)和機(jī)械式水力渦輪機(jī)，機(jī)械式風(fēng)力 渦輪機(jī)利用升力或曳力將風(fēng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，而機(jī)械式水力渦輪機(jī)將流水的動(dòng) 能或抬高儲(chǔ)存的水的勢能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。在大多數(shù)情況下，因此轉(zhuǎn)化而來的能量可 轉(zhuǎn)換成電能以供最終分配和使用。美國專利1,486,040(Schieferstein)披露了一種使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)葉片的推進(jìn) 裝置，但其只有一個(gè)自由度。美國專利2,783,022 (Salzer)描述了一種海浪能轉(zhuǎn)化裝置，該海浪能轉(zhuǎn)化裝置包 括在來回運(yùn)動(dòng)中使水平軸旋轉(zhuǎn)的一系列浮體。此裝置沒有采用振動(dòng)的翼。美國專利3,040,976 (de Mattos)披露了一種使用機(jī)械驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)葉片的并聯(lián)組 的空氣推進(jìn)裝置，其還是只有一個(gè)自由度。美國專利3,508,840 (Lederlin)披露了帶有彎曲形狀的氣翼或系列拍動(dòng)氣翼，以 使自產(chǎn)生的漩渦再循環(huán)。這種氣翼并不顫動(dòng)地或反相地工作。美國專利3,783,858 (Ashikian)披露了一種使用氣柱中的共振來加熱液體的裝 置。該發(fā)明沒有使用反相顫動(dòng)的翼來將流體轉(zhuǎn)化成機(jī)械能。美國專利3,883,750 (Uzell)描述了一種附文氏管的水平軸線旋轉(zhuǎn)的推進(jìn)器型風(fēng) 力渦輪機(jī)。美國專利3,995,972 (Nassar)描述了一種振動(dòng)型風(fēng)能轉(zhuǎn)化機(jī)，其中，使用傾斜變 化的裝置來使一個(gè)或多個(gè)氣翼往復(fù)運(yùn)動(dòng)，該傾斜變化的裝置使氣翼傾斜角在每次偏 移結(jié)束時(shí)反向。該裝置并沒有采用兩個(gè)或多個(gè)自由度的顫動(dòng)，所述的氣翼組也沒有 反相工作。美國專利4,024,409 (Payne)描述了一種振動(dòng)流體能量轉(zhuǎn)化裝置，該裝置利用經(jīng) 受入射風(fēng)的金屬絲、長圓柱體或氣翼的共振反應(yīng)，從而通過一個(gè)表面產(chǎn)生漩渦，導(dǎo) 致將力施加在該表面上，該表面離開其靜止位置，從而在相反的表面上產(chǎn)生新的漩 渦。這個(gè)新的漩渦導(dǎo)致將相反的力施加在本體上，導(dǎo)致可從中提取能量的共振而作 為阻尼力。在該發(fā)明中，使用其氣翼實(shí)施例，該氣翼對渦流作出反應(yīng)以在一個(gè)自由 度內(nèi)振動(dòng)，而不是顫動(dòng)。美國專利4,170，738 (Smith)描述了一種拖曳工作裝置(panemone)，以從海水運(yùn) 動(dòng)中提取能量，通過往復(fù)運(yùn)動(dòng)的齒輪齒條裝置將該運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換至雙向發(fā)電機(jī)。該裝置 并沒有釆用翼、顫動(dòng)或反相運(yùn)動(dòng)。美國專利4,184,805 (Amold)是描述了在空氣或水中的翼葉柵顫動(dòng)中的反相運(yùn) 動(dòng)的第一個(gè)基礎(chǔ)專利。本發(fā)明構(gòu)成了對于Arnold的專利的實(shí)質(zhì)改進(jìn)，在Arnold的 專利中，已經(jīng)用聯(lián)接至模塊動(dòng)力傳輸和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的單個(gè)懸臂式吊桿替換了附連 至各翼的所有機(jī)構(gòu)和連桿。美國專利4,347,036 (Arnold)是同一原始申請的分案申請，且描述了與美國專利 4,184,805相同的裝置。美國專利5,457,346 (Blumberg)描述了一種與以上的美國專利3,883,750類似的 水平軸線推進(jìn)器型風(fēng)力渦輪機(jī)，其中，文氏管將入射風(fēng)集中到渦輪機(jī)轉(zhuǎn)子上。這種 裝置沒有使用翼、顫動(dòng)現(xiàn)象、或反相運(yùn)動(dòng)的翼葉柵。美國專利6,273,680(AmoW)繼續(xù)開發(fā)了如專利4，184,805首先披露的振動(dòng)葉柵動(dòng)力系統(tǒng)的原始機(jī)械實(shí)施例，其某些附加材料涉及慣性質(zhì)量調(diào)整和帶有扁平屏障的 入流集中。在氣動(dòng)彈性學(xué)上，有相當(dāng)多的文獻(xiàn)一般將顫動(dòng)認(rèn)作為高度破壞力，該高度破壞力會(huì)在氣翼中發(fā)生，從而不可避免地導(dǎo)致其碎裂。上面引用的Arnold的專利示出 了在原理上如何可用顫動(dòng)來從流動(dòng)的流體中提取有用能。本發(fā)明基于Arnold的專 利并在其上作出改進(jìn)，本發(fā)明通過免除在那些在先專利中描述的振動(dòng)機(jī)械部件、連 桿、軸承、桿、軸和齒輪的繁多性，來使顫動(dòng)的反相葉柵能量轉(zhuǎn)化器能商業(yè)應(yīng)用。 盡管顫動(dòng)的分析處理可應(yīng)用到所有的流體，但是空氣中的顫動(dòng)是公知的，而水 中的顫動(dòng)還未被廣泛研究或觀察。Arnold博士的專利首先描述了在水中啟動(dòng)和維 持顫動(dòng)的裝置。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明包括振動(dòng)葉柵動(dòng)力系統(tǒng)(OCPS)的耐用和有效實(shí)施例的設(shè)計(jì)特征，并 且包括多個(gè)懸臂式翼，這些翼是由從諸如風(fēng)的運(yùn)動(dòng)流體中或從在小溪、河流、洋流、 潮汐或定向流中運(yùn)動(dòng)的水中提取的動(dòng)能來振動(dòng)并致使顫動(dòng)的。動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng)包括新 穎的模塊化動(dòng)力和控制模塊，該模塊由多個(gè)翼的顫動(dòng)來驅(qū)動(dòng)。懸臂式翼的使用免除了對于在美國專利4,184,805、4,347,036和6,273,680中描 述的附連至現(xiàn)有技術(shù)的翼的相當(dāng)大數(shù)量的實(shí)體機(jī)構(gòu)的需要。通過使用工作流體或電 流的可編程控制伺服系統(tǒng)可以控制翼?？刂瞥绦蚩砂ɑ谧饔迷诜聪囝潉?dòng)模式中 翼運(yùn)動(dòng)方程的算法。此外，本發(fā)明的裝置使用懸臂式翼的平行葉柵來有效地從運(yùn)動(dòng)的流體流中產(chǎn)生 大量可用動(dòng)能，而無需使用大量附連機(jī)構(gòu)。我們這里使用的一般術(shù)語"翼"包括如 同在流動(dòng)的水中使用的"水翼"的概念、如同在風(fēng)能轉(zhuǎn)化中使用的"氣翼"的概念、 或在推進(jìn)中使用的"漿"的概念。術(shù)語"氣翼"更具體地說涉及用來產(chǎn)生飛行器升 力的固定的或旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼，但并未應(yīng)用在本發(fā)明的內(nèi)容中。本發(fā)明的一方面是在運(yùn)動(dòng)的流體流中的、反相作用的翼葉柵中提供獨(dú)立的模塊 翼動(dòng)力和控制裝置，從而即使在葉柵工作時(shí)，各翼也可插入葉柵或從葉柵中拆卸下 來，而不會(huì)觸及或影響相鄰的翼。為了在諸翼中發(fā)生顫動(dòng)、即帶有兩個(gè)或多個(gè)自由度的共振，翼的有效慣性質(zhì)量 和沖程結(jié)束時(shí)的回復(fù)力的存在是很關(guān)鍵的。本方面的一方面提供了一種在系統(tǒng)工作 的瞬時(shí)調(diào)整和控制慣性質(zhì)量和回復(fù)力的新穎裝置，從而允許系統(tǒng)的性能在流量和負(fù)載條件改變的過程中是連續(xù)的和自動(dòng)的。在靜止位置，翼處于零攻角。即使翼浸入運(yùn)動(dòng)的流體流中，也沒有振動(dòng)發(fā)生。 在現(xiàn)有技術(shù)中，必須實(shí)際地"擾動(dòng)"以啟動(dòng)機(jī)構(gòu)和初始化顫動(dòng)。本發(fā)明的一方面是 一種遠(yuǎn)程啟動(dòng)振動(dòng)而無需手動(dòng)干預(yù)的裝置。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中，除了通過中斷流 體流或者通過克服施加極限負(fù)載安裝機(jī)構(gòu)的振動(dòng)意外，未提供任何裝置來使顫動(dòng)的 翼止動(dòng)。本發(fā)明的另一方面是一種用于使振動(dòng)翼中的一個(gè)或所有翼瞬時(shí)止動(dòng)的裝 置，這是通過致使它們采用零攻角因此在流體流仍然流動(dòng)時(shí)切斷動(dòng)力輸出來實(shí)現(xiàn) 的，而對于翼或相關(guān)機(jī)構(gòu)沒有不適當(dāng)?shù)膽?yīng)力或損壞。本發(fā)明的另一方面是提供一種雙用途的支承結(jié)構(gòu)，多個(gè)獨(dú)立的翼模塊固定至該 支承結(jié)構(gòu)，該支承結(jié)構(gòu)還承載動(dòng)力和控制歧管，用來將翼模塊連接至中央控制器。 歧管裝備有一系列多通道閘閥以及容座，這樣，在各個(gè)翼模塊上的多通道連接器就 可容易地連接或拆卸。本發(fā)明的又一方面是包括流體速度和負(fù)載的所有內(nèi)部和外部系統(tǒng)參數(shù)的完全 電子監(jiān)測，通過在由特殊控制算法來控制的可編程邏輯控制裝置中處理這些數(shù)據(jù)， 所得的對于慣性質(zhì)量和回復(fù)力的連續(xù)調(diào)整不僅一直在優(yōu)化系統(tǒng)性能，而且還通過降 低顫動(dòng)初始化時(shí)的臨界流體速度和提高系統(tǒng)可安全工作時(shí)的最大或切斷速度來延 伸系統(tǒng)的工作范圍。在現(xiàn)有技術(shù)中，這種改進(jìn)不能實(shí)施，因?yàn)檎駝?dòng)葉柵及其控制系 統(tǒng)在本質(zhì)上是完全機(jī)械的，并且必須首先切斷而再實(shí)施對于慣性質(zhì)量或回復(fù)力的任 何調(diào)整。本發(fā)明有關(guān)翼葉柵的推進(jìn)或泵送模式的一方面是，借助獨(dú)立的和可外部控制的 翼模塊來給兩個(gè)自由度的各翼施加多種不同編程的順序或同時(shí)運(yùn)動(dòng)，從而優(yōu)化推進(jìn) 或泵送作用。例如，可以對葉柵編程以沿著葉柵重復(fù)進(jìn)行的游動(dòng)，這在現(xiàn)有技術(shù)中 是不可能的。本發(fā)明有關(guān)推進(jìn)的另一方面是，可以對單個(gè)翼編程以在推進(jìn)或泵送模式中單獨(dú) 作用，并且假如翼是葉柵的一部件，則葉柵的其它部件可以停靠在橫向位置以阻止 其它流體流，從而有助于河流或洪水控制。本發(fā)明的重要特征以及它與現(xiàn)有技術(shù)(尤其包括Lee Arnold博士的三個(gè)專利) 的顯著區(qū)別己經(jīng)被大致概括出來了，從而可以更好地理解其詳細(xì)描述，并且從而可 以更好地理解對于該技術(shù)領(lǐng)域的貢獻(xiàn)。下文中將描述本發(fā)明的附加特征，這將形成 所附權(quán)利要求書的主題。熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的人員會(huì)理解，本發(fā)明可用作設(shè)計(jì)其它實(shí) 施本發(fā)明的若干目的的其它裝置的基礎(chǔ)。因此重要的是，本發(fā)明的權(quán)利要求書將被認(rèn)為包含并不脫離本發(fā)明的總體范圍的這些等同結(jié)構(gòu)和方法。


圖1是分離的翼模塊的葉柵的立體圖，該葉柵可以以任何角度定向且安裝在剛性支承結(jié)構(gòu)4上。每個(gè)翼模塊由翼1、吊桿2、動(dòng)力轉(zhuǎn)化模塊3A和控制模塊3B構(gòu) 成。圖2是控制模塊的局部平面圖，示出了翼吊桿2用花鍵連接入在旋轉(zhuǎn)腔6內(nèi)運(yùn) 動(dòng)的旋轉(zhuǎn)葉輪5，包含在平移活塞7B內(nèi)的所有東西都在缸體17內(nèi)運(yùn)動(dòng)。外部孔 14、 15、 21和22將工作流體引導(dǎo)至控制模塊和從控制模塊引導(dǎo)出工作流體。圖3是動(dòng)力模塊的局部平面圖，示出了翼吊桿2穿過在缸體17內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平移 活塞7A。外部孔21和22將工作流體引導(dǎo)至動(dòng)力模塊和從動(dòng)力模塊引導(dǎo)出工作流 體。圖4是動(dòng)力/控制模塊的葉柵與葉柵寬度動(dòng)力和控制歧管的流體連接的示意圖。圖5是用于葉柵的中心流體動(dòng)力和控制系統(tǒng)的元件的示意圖，示出了歧管與平 移和旋轉(zhuǎn)控制貯存器28和29以及與動(dòng)力貯存器41的連接。圖6是動(dòng)力輸出裝置的示意圖，由此來自動(dòng)力貯存器41的工作流體可在壓力 下儲(chǔ)存在蓄積器32中，并且驅(qū)動(dòng)流體電動(dòng)機(jī)33，該流體電動(dòng)機(jī)33驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的發(fā) 電機(jī)34以將同步的電能供給至共用電網(wǎng)。圖7是翼模塊的立體圖，示出了用于減少漩渦產(chǎn)生的翼設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。圖7A是翼的一部分的側(cè)視圖。圖7B和7C是翼的后緣的片斷部分，示出了沿著后緣的柔性靴部的比較。 圖8是振動(dòng)葉柵組件的立體圖，其中具有流入和流出導(dǎo)管，這些導(dǎo)管設(shè)計(jì)成修 改流體速度和壓力以增大總的動(dòng)力傳輸效率。圖9是圖8的流出導(dǎo)管的示意垂直剖面，示出了多個(gè)流動(dòng)引導(dǎo)器。
具體實(shí)施方式
圖1示出了四個(gè)各由且僅由圓形橫截面的吊桿2來吊掛的垂直翼1。桿2從獨(dú) 立系列但同組的固定動(dòng)力/控制模塊組件3的底部突出。任何偶數(shù)的動(dòng)力/控制模塊 3可安裝在剛性系統(tǒng)支承結(jié)構(gòu)4上。每個(gè)翼1的重量由其動(dòng)力/控制模塊3來承受。 動(dòng)力/控制模塊組3中的每一個(gè)由動(dòng)力模塊3A和控制模塊3B構(gòu)成。吊桿2由于通 過由動(dòng)力模塊3A和/或控制模塊3B所承載的兩個(gè)垂直共軸的軸承而嚴(yán)格地保持垂直和平行。翼l自身可以完全被淹沒，并且除了吊桿2之外沒有任何機(jī)械連接。桿 2可自由地在有限范圍內(nèi)(左右地)平移，且可自由地也在有限范圍內(nèi)繞垂直軸線 旋轉(zhuǎn)，但是受到約束而不能沿流動(dòng)方向(從前到后)移動(dòng)或不能平移地旋轉(zhuǎn)(擺動(dòng))。 因此，翼1都被懸掛成總是保持嚴(yán)格垂直，但能夠旋轉(zhuǎn)地和平移地移動(dòng)有限距離。 具體地說，翼1不能由于流體的曳力沿下游方向移動(dòng)(或擺動(dòng))。這種布置所允許的平移和垂直旋轉(zhuǎn)的翼的運(yùn)動(dòng)范圍可歸結(jié)為在葉柵中啟動(dòng)和 維持顫動(dòng)所要求的翼傾斜和平移的任何位置或組合。相鄰的翼1被控制模塊3B約 束成在側(cè)移和旋轉(zhuǎn)(傾斜)中精確的反相運(yùn)動(dòng)，以滿足葉柵中顫動(dòng)的必需條件。來自每個(gè)翼1的動(dòng)力輸出可通過相應(yīng)的動(dòng)力模塊3A來傳輸，在翼運(yùn)動(dòng)波形的動(dòng)力沖 程段中僅僅作用在側(cè)向翼運(yùn)動(dòng)上。與動(dòng)力/控制模塊3的連接是通過加壓流體傳輸 (液壓的或氣動(dòng)的)或通過彈性裝置來實(shí)現(xiàn)的。單個(gè)組件可從工作的動(dòng)力產(chǎn)生系統(tǒng) 中移去和更換而不用停止或以其它方式影響其余組件的工作，這是該動(dòng)力/控制模 塊組件的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。如圖2所示，控制模塊3B提供了一種用于同時(shí)將側(cè)向運(yùn)動(dòng)(平移)和獨(dú)立旋 轉(zhuǎn)引入每個(gè)翼1的裝置。在分析上，這種獨(dú)立旋轉(zhuǎn)和z軸線運(yùn)動(dòng)的組合可以歸結(jié)為 啟動(dòng)或維持顫動(dòng)所要求的任何可能的翼運(yùn)動(dòng)或位置，具體地說，(a)前緣和后緣振 動(dòng)的獨(dú)立相位，以及(b)啟動(dòng)和維持顫動(dòng)所要求的外部差動(dòng)前緣和后緣回復(fù)力和 慣性質(zhì)量的施加。此外，與附連的動(dòng)力模塊3A結(jié)合起來，該機(jī)械設(shè)計(jì)提供了 (c) 翼葉柵的沿流動(dòng)方向、x軸線剛度(拖曳約束)，以及(d)在所有工作條件下所有 吊桿2的嚴(yán)格平行度。最后，每個(gè)控制/動(dòng)力模塊組件3提供了翼1的垂直支承而 對葉柵的工作軸線中的任一個(gè)平移或旋轉(zhuǎn)軸線不會(huì)有任何的相互作用。翼吊桿2 的上端穿過動(dòng)力和控制模塊，并且在它穿過控制模塊3B之處用花鍵連接以允許傳 輸旋轉(zhuǎn)力(扭矩)。垂直的吊桿2可以由兩個(gè)軸承支承， 一個(gè)位于控制模塊組件3B 的頂部，而一個(gè)位于控制模塊組件3B的底部，其中至少一個(gè)是推力軸承。因此， 盡管控制模塊3B自身保持固定，但是每個(gè)翼吊桿2可在由旋轉(zhuǎn)腔6內(nèi)的徑向空間 所限定的程度上在模塊內(nèi)繞垂直軸線獨(dú)立旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)在控制模塊3B中，用花鍵連接的翼吊桿2穿過相應(yīng)的用花鍵連接的旋 轉(zhuǎn)葉輪5。葉輪5可以在位于平移活塞7B內(nèi)的旋轉(zhuǎn)腔6內(nèi)繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)。葉輪 5的旋轉(zhuǎn)通過設(shè)計(jì)成約40度而由腔6的徑向形狀限制。葉輪5的中心面保持不與 內(nèi)腔壁接觸而隔開小的間隙，并且由內(nèi)部和外部"活塞一環(huán)"型密封件8和9來垂 直密封。葉輪5的頂端和底端裝備有類似的密封件(未在此中心橫截面中示出)，從而腔段的內(nèi)部可經(jīng)受流體壓力。在平移的活塞7B中，流體導(dǎo)管通道10和11分 別在旋轉(zhuǎn)腔6與縱向外圍凹陷12和13之間延伸，從而通向外部孔14和15以引至 控制模塊3B夕卜。施加至孔14的流體壓力因此導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)葉輪5的相應(yīng)反向(逆時(shí) 針)旋轉(zhuǎn)。類似地，施加至孔15的流體壓力導(dǎo)致葉輪5沿正向的旋轉(zhuǎn)。在平移活 塞7B兩端處的活塞環(huán)16確保施加至孔14和15的流體壓力有效地致使葉輪5在 活塞7B內(nèi)旋轉(zhuǎn)，而活塞7B在其縱向行進(jìn)的規(guī)定極限內(nèi)獨(dú)立平移?？傊瑹o論活 塞7B的位置或運(yùn)動(dòng)如何，由于從外部施加的流體壓力，旋轉(zhuǎn)葉輪5會(huì)將可精確控 制的扭矩(旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))賦予桿2和翼1，而無需任何移動(dòng)部件、軟管或移動(dòng)連接件。平移平移活塞7B可以在缸體17B內(nèi)縱向移動(dòng)，與缸壁不實(shí)際接觸而有小的 間隙，但由同樣的活塞環(huán)16來密封，該活塞環(huán)16也用來密封作用在旋轉(zhuǎn)葉輪5 上的流體。基本圓形的活塞支承棒18B從活塞7B的兩端突出，活塞支承棒18B由 直線軸承19來承載，該直線軸承19通常是再循環(huán)球型的且安裝在缸體17B的各 端中。這些活塞支承棒18B的長度和缸體端部內(nèi)相應(yīng)孔的深度是由活塞7B的預(yù)期 平移距離來控制的。此外，活塞環(huán)型軸密封件20確保施加至缸體17B中的孔21 或22的流體壓力有效地致使活塞7B沿任一方向縱向移動(dòng)，而再次無需任何移動(dòng) 部件、軟管或至歧管的移動(dòng)連接件?？傊?，通過以上的裝置，無論瞬時(shí)平移和旋轉(zhuǎn)的位置如何，葉柵中的所有翼l 都可鎖定在精確的反相運(yùn)動(dòng)中。翼平行度由于翼吊桿2穿過控制和動(dòng)力模塊7B和7A但除了旋轉(zhuǎn)之外所有 都受上部和下部軸承約束，并且由于活塞支承棒18B和18A的兩個(gè)水平組在直線 軸承19B和19A中移動(dòng)且受約束不會(huì)有任何z軸線的角運(yùn)動(dòng)(水平擺動(dòng))，顯然， 附連至吊桿2的所有翼1必須一直且在側(cè)向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)的所有條件中保持平行。拖曳約束類似地，在流動(dòng)方向的平面中，由于桿2穿過受約束而側(cè)向往復(fù)移 動(dòng)的上部活塞7B和下部活塞7A，所以翼吊桿2受約束而不會(huì)有任何x軸線的運(yùn) 動(dòng)(即，由于作用在翼1上的流動(dòng)的水、或空氣的拖曳而沿下游方向的擺動(dòng)，該擺 動(dòng)的力矢量根據(jù)翼的瞬時(shí)傾斜角而變化)。居中的和輔助的回復(fù)力內(nèi)部彈簧18A和18B結(jié)合在動(dòng)力和控制模塊3A和 3B中，以局部地或完全地提供所需要的循環(huán)回復(fù)力，并且確保活塞7A和7B在靜 止時(shí)保持居中于其相應(yīng)的缸體17A或17B。應(yīng)該理解，可以使用氣動(dòng)或液壓的能 量吸收/返回裝置來代替彈簧18A和18B。圖3是動(dòng)力模塊3A的中心橫截面的平面圖?；钊?A的平移運(yùn)動(dòng)等同于控制模塊3B的活塞7B的平移運(yùn)動(dòng)，在所有情況下雙向自由活塞7A和7B都平移地運(yùn) 動(dòng)，由其相應(yīng)的兩個(gè)活塞支承棒18A和18B引導(dǎo)成側(cè)向運(yùn)動(dòng)，該活塞支承棒18A 和18B由直線軸承19A和19B來承載，但是翼吊桿2并不穿過中心的旋轉(zhuǎn)葉輪和 缸體，而是只穿過設(shè)置在活塞7A中心的密封的單排或雙排滾珠軸承23。因此，翼 吊桿2可自由地在動(dòng)力模塊3A內(nèi)繞垂直軸線旋轉(zhuǎn)，但是吊掛的翼1及其吊桿2的 任何平移都導(dǎo)致活塞7A相應(yīng)的側(cè)向運(yùn)動(dòng)。這種側(cè)向活塞運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致流過外部孔21 和22的工作流體的相應(yīng)噴射或注射。任何數(shù)量的獨(dú)立水翼模塊可以連接至六個(gè)共 同的流體動(dòng)力傳輸歧管24、 25、 26、 27、 28和29，在葉柵的長度上移動(dòng)，且終止 于控制器，如圖5所示。圖4是連接到六個(gè)葉柵的動(dòng)力和控制歧管的任何偶數(shù)數(shù)量的動(dòng)力/控制模塊3 的葉柵的流體連接件的示意圖。相繼和相鄰的翼模塊中只有三個(gè)示于圖4中，從而 足以示出任何數(shù)量的翼的相應(yīng)互連件。因?yàn)樵诿總€(gè)翼模塊上的外部孔一直完全固 定，所以歧管和互連件都可由傳統(tǒng)的固定壓力管、接頭和連接器來構(gòu)成。每個(gè)控制 模塊14和15的旋轉(zhuǎn)部件的外部孔連接入"+ "旋轉(zhuǎn)控制歧管24且連接至"一" 旋轉(zhuǎn)控制歧管25，從而控制模塊的互連對的指向在相繼相鄰的翼模塊之間交替。 也就是說，對于葉柵中所有翼，翼A和C的孔14以及模塊B的孔15等連接到歧 管24。相應(yīng)地，模塊A和C的孔15以及模塊B的孔14連接到歧管25。這兩個(gè) 旋轉(zhuǎn)的控制歧管24和25在圖5所示的控制器中所示加壓液壓貯存器處以其末端有 效地連接在一起。因此，相鄰翼控制模塊的旋轉(zhuǎn)部件的交替互連致使相鄰翼1的所 有旋轉(zhuǎn)精確地反相鎖定在一起，就如同由機(jī)械連桿所精確實(shí)現(xiàn)的那樣。因此，所有翼的孔21和22交替地連接到Z軸線平移控制歧管26和27，從而 設(shè)計(jì)成，因?yàn)橐?的側(cè)向運(yùn)動(dòng)沿著Z軸線發(fā)生，故流入葉柵的流體(空氣或水) 被限定成沿X方向運(yùn)動(dòng)。通過以上的旋轉(zhuǎn)情況所述，相鄰翼的所有側(cè)向運(yùn)動(dòng)因此 一起鎖定成精確的反相。最后，以上旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的組合作用是如同 Arnold博士的顫動(dòng)分析所要求的那樣，迫使葉柵的所有翼1的任何運(yùn)動(dòng)一直精確 反相地發(fā)生，同時(shí)翼1的整個(gè)組件自由地旋轉(zhuǎn)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)、鎖定成反相、但不受其 它約束。假如適當(dāng)控制的話，水翼的以上旋轉(zhuǎn)和側(cè)向運(yùn)動(dòng)的任何組合的結(jié)果都可以 因此重復(fù)在Arnold的顫動(dòng)分析中所要求的任何運(yùn)動(dòng)或位置，就如同在Arnold的專 利中所述的那樣翼1受到前緣和后緣的頂部和底部機(jī)械連桿、互連桿和軸的約束。 差別之處在于，每個(gè)翼1現(xiàn)在實(shí)質(zhì)上獨(dú)立于所有其它的翼，而在相鄰翼的端部之間 無需機(jī)械附連或連接。圖5是一種用于葉柵的中心流體動(dòng)力和控制系統(tǒng)的元件的示意圖。 反相鎖定系統(tǒng)控制器在這里顯示成兩個(gè)包含雙動(dòng)作活塞的加壓液壓貯存器 28和29，雙動(dòng)作活塞的中心位置對應(yīng)于翼1的靜止位置(翼均勻地間隔且平行于 流動(dòng)方向)。相同的控制功能還可以通過將各歧管成比例地連接至流體壓力貯存器 或流體返回IC存器的一組雙比例閥的直接微處理器可編程邏輯控制器來獲得。在每個(gè)活塞桿上的直線位置/速度傳感器30可給控制器提供平移的和旋轉(zhuǎn)的翼位置和運(yùn)動(dòng)反饋信號。更加廣泛的位置和運(yùn)動(dòng)反饋系統(tǒng)包括位于每個(gè)翼模塊中的傳感器，從 而專門給任何翼提供詳細(xì)的誤差信息。回復(fù)力為了在流體流中維持顫動(dòng)，必須在接近和處于翼位移的極限位置時(shí)提供回復(fù)力，該精確的力在整個(gè)工作循環(huán)中變化?；貜?fù)力模塊41使用內(nèi)部彈簧、可控制的壓縮空氣量或彈簧力的電模擬中的一個(gè)或組合來提供必需的循環(huán)結(jié)束回復(fù)力。此外，局部的回復(fù)力由彈簧18C加上活塞支承棒18A和18B形成的空氣壓縮來提供。慣性質(zhì)量除了處理以上的周期性回復(fù)力之外，為了維持顫動(dòng)，還必須給翼自身的振動(dòng)質(zhì)量提供精確量的附加慣性質(zhì)量。慣性質(zhì)量模塊42 (圖5)通過工作的流 體連接件在翼1上施加可控制的附加質(zhì)量，從而通過聯(lián)接至物理質(zhì)量的工作流體 (液壓桿)的比例控制或通過等同力的電模擬來控制所附加的慣性質(zhì)量的量。 啟動(dòng)連接至高壓液壓蓄積器32 (圖5)和液壓返回歧管的多用途電致動(dòng)的可 變流量控制閥31允許從外部(從流體動(dòng)力儲(chǔ)存貯存器)將預(yù)先編程的初始旋轉(zhuǎn)和 平移運(yùn)動(dòng)脈沖施加至翼1，以在流動(dòng)的空氣或水中啟動(dòng)振動(dòng)。顫動(dòng)的控制和優(yōu)化將不同的回復(fù)力和輔助慣性質(zhì)量施加至翼1的前緣和后緣對于顫動(dòng)的初始化和保持都是關(guān)鍵性的。翼旋轉(zhuǎn)和側(cè)向位置反饋、頻率、瞬時(shí)的流 入水或空氣速度和外部負(fù)載以及其它信息給可編程的邏輯控制器提供輸入，該控制 器以預(yù)先編程的工作算法作為依據(jù)，控制對于翼1的必需回復(fù)力和慣性質(zhì)量的瞬時(shí) 附加。必須注意的是，顫動(dòng)一旦啟動(dòng)，該顫動(dòng)就是輸入動(dòng)力(水或空氣流)、輸出負(fù) 載(阻尼)以及不同的回復(fù)力和質(zhì)量的合適條件所提供的自保持共振現(xiàn)象，將都被 保持。這種控制調(diào)整是由控制系統(tǒng)所連續(xù)地和瞬時(shí)地作出的，以補(bǔ)償以上工作條件 所發(fā)生的變化。停機(jī)通過外部編程強(qiáng)迫返回至翼靜止位置，整個(gè)葉柵的翼或單個(gè)翼可以由于 緊急或維護(hù)的原因而立即停機(jī)。通過將多通道閥引入歧管至翼的互連件，可以脫開或更換單獨(dú)的翼模塊而不用停止整個(gè)葉柵。工作流體壓力保持輔助的工作流體循環(huán)壓力保持裝置包含在控制系統(tǒng)中，但 未顯示或詳述，因?yàn)檫@是標(biāo)準(zhǔn)的液壓設(shè)計(jì)技術(shù)。圖6是表示公用互連的電能輸出裝置的示意圖，其描述了將電能從葉柵輸送至 外部負(fù)載的許多可選擇裝置中的一個(gè)。來自動(dòng)力貯存器43的工作流體在壓力下儲(chǔ)存在蓄積器32中，然后驅(qū)動(dòng)流體電 動(dòng)機(jī)33，該流體電動(dòng)機(jī)33驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的同步發(fā)電機(jī)34以將頻率和相位同步的電能 供給至公用電網(wǎng)。在圖中，在受控制的顫動(dòng)過程中，工作流體周期性地在壓力下被 動(dòng)力模塊3A移位，并被輸送通過動(dòng)力歧管39和40，該工作流體是由單通閥注射 入貯存器43中的。再由從蓄積器32中通過受控比例流供給閥37來提取的液壓來 驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的液壓電動(dòng)機(jī)33。液壓電動(dòng)機(jī)33直接驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)的三相無刷同步發(fā)電機(jī)34，該同步發(fā)電機(jī)34通 過合適的固態(tài)開關(guān)裝置38和合適的電保護(hù)干線與共用電網(wǎng)互連。動(dòng)力輸出開關(guān)設(shè) 備的關(guān)閉是由同步示波器35來控制的，從而當(dāng)發(fā)電機(jī)34和電網(wǎng)通過零電壓點(diǎn)時(shí)將 完全同步的發(fā)電機(jī)34連接至電網(wǎng)。流動(dòng)供給閥是由發(fā)電機(jī)頻率和輸出電流來控制 的， 一旦發(fā)生同步，就形成由水或空氣流條件、發(fā)電機(jī)容量和溫度所確定的最大動(dòng) 力輸出。圖7是單個(gè)翼模塊的立體圖，示出了翼設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)以減少漩渦產(chǎn)生(a)在圖 7和7A中示出了將翼的前緣端部61弄圓，(b)在翼的后緣端部65處添加嵌條，(c)沿著前緣和后緣包含可變形的柔性靴部67，這些柔性靴部67示于圖7B和 7C中，通過瞬時(shí)傾斜角(通過中央控制器)來控制變形程度。柔性靴部67的縱向 變形是由翼吊桿2輸送的流體壓力來致動(dòng)的。將兩個(gè)合適形狀空隙中的一個(gè)引入靴 部67內(nèi)，流體壓力致使靴部的尾部從中心靜止位置相對于左或右流動(dòng)軸線縱向扭 轉(zhuǎn)。因此，在較大的傾斜角處，翼1的邊緣不再呈現(xiàn)(現(xiàn)有技術(shù)的)尖銳邊緣，這 種尖銳邊緣會(huì)產(chǎn)生相當(dāng)大的下游漩渦流。只有后緣靴部67示于圖7B和7C中，但 可變形的靴部可以同樣方式施加至翼1的前緣。薄、扁平和光滑的嵌條63在翼1的各端上有一個(gè)，嵌條63以及所示的流線型 角部也用來減少漩渦產(chǎn)生，由此減小實(shí)際拖曳并提高效率。嵌條63的形狀的精確 設(shè)計(jì)是由翼的幾何形狀所特有的空氣動(dòng)力學(xué)分析所控制的。圖8是完整的振動(dòng)葉柵組件的立體圖，其總體由附圖標(biāo)記68來表示，設(shè)有流 入導(dǎo)管70和流出導(dǎo)管72，這些導(dǎo)管設(shè)計(jì)成修正流體速度和壓力以提高總的動(dòng)力傳輸效率。根據(jù)葉柵在流入和流出導(dǎo)管之間的連接處74的特征和幾何形狀所特有的空氣動(dòng)力學(xué)分析，導(dǎo)管的平面和立面圖的輪廓可以有所不同。橫流引導(dǎo)器76示于 圖9中，插入外流導(dǎo)管72或與外流導(dǎo)管72形成在一起，從而作為在連接處74降 低凈背壓的裝置。本發(fā)明的關(guān)鍵方面是，流入和流出通道或?qū)Ч艿脑O(shè)計(jì)和功能形成振動(dòng)葉柵和翼 1的設(shè)計(jì)的一體部分，用于本發(fā)明的任何特定情況或應(yīng)用場合。與界圍的流體流的 兩相反側(cè)等距的翼用作無限葉柵。盡管以上所述和圖1所示的翼葉柵如圖8所示定 位在完全界圍的外殼內(nèi)，但是采用處于經(jīng)受Betz極限的未界圍環(huán)境中的這種葉柵 或翼也在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這里所示的使用流體動(dòng)力傳輸裝置(液壓的)來實(shí)施的核心概念也可以由氣動(dòng) 或電氣裝置來實(shí)施，或者由流體和電氣裝置的組合來實(shí)施。這些改進(jìn)的主要目的是，免除實(shí)際地附連至翼端部以將相鄰的翼附連在一起的 所有機(jī)構(gòu)。因此己經(jīng)具體參照較佳形式描述了本發(fā)明及其改進(jìn)，在理解了本發(fā)明之后，對 于熟悉本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的人員來說顯而易見的是，可以在不脫離由所附權(quán)利要 求書限定的本發(fā)明范圍的前提下在其中作出各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種將流體流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成有用功的方法，所述方法包括以下步驟在所述流體流內(nèi)定位翼的平行陣列；將所述翼安裝成具有至少兩個(gè)自由度；以及致使所述流體流移動(dòng)通過所述翼的陣列，以用于致使所述翼經(jīng)受顫動(dòng)式振動(dòng)，改進(jìn)之處包括通過懸臂模式的單獨(dú)吊桿來安裝各個(gè)翼；以及保持所有的所述吊桿彼此平行。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括保持所述翼的垂直度和平 行度的步驟，這是通過安裝用于提供旋轉(zhuǎn)和平移運(yùn)動(dòng)的裝置同時(shí)藉由每個(gè)翼的兩點(diǎn) 吊掛嚴(yán)格地保持所述翼垂直和平行來實(shí)現(xiàn)的。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述翼通過所述吊桿連接至液壓 致動(dòng)器，所述翼在平移和傾斜中的瞬時(shí)定位是通過該液壓致動(dòng)器由外部控制器來控 制的，用于確保相鄰翼的精確反相運(yùn)動(dòng)，并且將源自顫動(dòng)式振動(dòng)的所述翼的能量輸 出傳輸至蓄積器。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，包括傳輸所述翼的運(yùn)動(dòng)的步驟， 用于驅(qū)動(dòng)液壓致動(dòng)器，該液壓致動(dòng)器用于將能量從所述翼傳輸至所述蓄積器。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，包括提供流體控制的步驟，用于 將所述能量從所述液壓致動(dòng)器傳輸至所述蓄積器。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，包括將所述能量轉(zhuǎn)化成電能的步驟。
7. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步驟通過提供循環(huán)的 回復(fù)力和慣性質(zhì)量以用于初始化和保持所述翼的顫動(dòng)，從而控制所述翼的陣列。
8. 如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，包括以下步驟在流體通過所述 翼的陣列之前增大流體流動(dòng)速度；以及在所述流體通過所述翼的陣列之后減小所述 翼上的背壓。
9. 用于將流體流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成有用功的裝置，所述裝置包括可定位在流體 流內(nèi)的翼的陣列；安裝所述翼以適于至少兩個(gè)自由度的裝置；用于致使所述流體流 通過所述翼的陣列由此使所述翼經(jīng)受顫動(dòng)式振動(dòng)的裝置；多個(gè)吊桿，每個(gè)所述翼安 裝在呈懸臂形式的單獨(dú)吊桿上；以及用于使所有的所述吊桿保持彼此平行的裝置。
10. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，包括柔性靴部，所述靴部附連至 所述翼并沿其后緣延伸，所述靴部可由所述流體流產(chǎn)生的壓力來變形。
11. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，每個(gè)所述翼是自固定且獨(dú)立于相 鄰翼的，用于減少拖曳和漩渦的產(chǎn)生。
12. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，還包括用于支承各個(gè)翼以形成一 體的、容易拆卸和脫開的模塊的安裝裝置，并且每個(gè)模塊在不停止相鄰翼的工作的 前提下就能拆卸和更換。
13. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，還包括一體的多軸線流體致動(dòng)器和泵模塊，該模塊包括定位在雙向直線致動(dòng)器和泵內(nèi)的雙向傾斜控制的旋轉(zhuǎn)致動(dòng) 器，從而，通過所述吊桿中的相應(yīng)一個(gè)連接至所述致動(dòng)器和泵模塊的所述翼的運(yùn)動(dòng) 提供沿著側(cè)向和旋轉(zhuǎn)軸線的獨(dú)立和同步運(yùn)動(dòng)。
14. 如權(quán)利要求9所述的裝置，其特征在于，所述翼包括在前緣處弄圓的端 部，用于使拖曳最小；形成在所述翼的端部處的嵌條裝置；以及沿著至少一個(gè)后緣的可變形的柔性靴部裝置，用于在極限翼傾斜角處改變其曲率。
全文摘要
用于將運(yùn)動(dòng)流體流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成有用功的方法和裝置，這是通過使用定位在該流體流中的氣翼或水翼的平行陣列來實(shí)現(xiàn)的。翼可以定位成具有至少兩個(gè)自由度，并且相鄰的翼反相運(yùn)動(dòng)。翼經(jīng)受共振，這通稱為顫動(dòng)，是由流體流所誘導(dǎo)的。構(gòu)型的流入和流出導(dǎo)管可以定位在上游和下游，該裝置可以包封在構(gòu)型的導(dǎo)管中，以通過改變流體速度和壓力來提高效率。翼是懸臂的，由垂直棒支承，但也可以不附連。由獨(dú)立的翼模塊構(gòu)成的葉柵各包括翼、動(dòng)力轉(zhuǎn)化模塊和運(yùn)動(dòng)控制模塊，可以對該葉柵編程以(1)從流體流中接受能量以產(chǎn)生動(dòng)力，或者(2)將能量傳輸至流體流以形成推進(jìn)或泵送。
文檔編號F03D5/06GK101223357SQ200680024884
公開日2008年7月16日 申請日期2006年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月1日
發(fā)明者C·C·克爾 申請人:阿諾德系統(tǒng)有限公司