專利名稱：水電式管內(nèi)渦輪機葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
摶術(shù)領(lǐng)域與背景摶術(shù)
本發(fā)明涉及一種水電式渦輪機，尤其是涉及一種在受限制的空間，例如管內(nèi)的渦輪機。 在設(shè)計用于管內(nèi)系統(tǒng)的渦輪機的葉片時，與已經(jīng)實踐超過至少兩百年的標(biāo)準(zhǔn)水電式渦輪機相比，存在許多特殊挑戰(zhàn)。代替將噴射水從空氣中噴入渦輪機的葉片，管內(nèi)渦輪機是將水從水中噴射到葉片，會遇到更高阻力，有時甚至?xí)谙到y(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生背壓。在專利文獻中，已經(jīng)有一些關(guān)于管內(nèi)渦輪機的參考文獻，包括本發(fā)明人的那些在先專利，但這里所描述的葉片構(gòu)造是獨特的。本發(fā)明描述了幾種變化，因為不同的條件，例如流速、提升力等，需要不同的構(gòu)造，但它們都響應(yīng)于相同的核心問題，即如何在封閉空間內(nèi)以最高的可能效率來獲得來自水流的能量，同時產(chǎn)生在該渦輪機安裝之前和之后的在壓力上的精確降低。這里討論了三種葉片的構(gòu)造杯型、推進器型和垂直軸型。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明成功地通過提供一系列用于管內(nèi)水電式渦輪機的高度流線型的葉片來克服目前已知的構(gòu)造的缺陷。本發(fā)明首次揭示了一種帶有高度流線型的杯的水電式渦輪機，被限定為從中央的前點到外周的后點的角度是小于45度。根據(jù)另一個實施例，所述渦輪機定位在管內(nèi)。本發(fā)明首次揭示了一種水電式渦輪機，包括杯，所述渦輪機的向前區(qū)域包括尖銳的單獨的點或延伸的點。根據(jù)另一個實施例，所述渦輪機定位在管內(nèi)。本發(fā)明首次揭示了一種水電式渦輪機，包括杯，所述渦輪機的前部分和后部分是不一致的，所述渦輪機的后部分是較淺的。根據(jù)另一個實施例，所述渦輪機定位在管內(nèi)。根據(jù)另一個實施例，所述杯是空的，在所述渦輪機的前部分和后部分之間。根據(jù)另一個實施例，所述杯的向前區(qū)域達到尖銳的單獨的點或延伸的點。本發(fā)明首次揭示了一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其中，所述杯型葉片的內(nèi)圓周和外圓周是不對稱的。本發(fā)明首次揭示了一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其中，所述杯型葉片的后平臺是不對稱的。本發(fā)明首次揭示了一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其中，所述杯型葉片的后平臺具有比所述渦輪機的后部的橫截面面積的大5%的橫截面面積。本發(fā)明首次揭示了一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其中，所述渦輪機的后部的橫截面的平面是不垂直于所述杯型葉片的運動方向的。根據(jù)另一個實施例，所述渦輪機是定位在管內(nèi)。本發(fā)明首次揭示了一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括杯，這些杯延伸的外周不超過所述渦輪機的直徑的50%。本發(fā)明首次揭示了一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括杯，這些杯的外圓周是與所述渦輪機的壁一致的，且這些杯的內(nèi)圓周是與所述渦輪機的壁不一致的。本發(fā)明首次揭示了一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括
a.推進器；
b.在所述推進器上游的中央的圓錐形結(jié)構(gòu)，通過連接到所述推進器的結(jié)構(gòu)或者通過分離的結(jié)構(gòu)來將所述中央的結(jié)構(gòu)支持在合適的位置。在一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括 C.在所述中央的結(jié)構(gòu)內(nèi)的發(fā)電機。在一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括
d.導(dǎo)電的電線，從所述發(fā)電機沿著所述管延伸；
e.電力輸出系統(tǒng)，將至少兩條所述電線的電力輸出結(jié)合為單個的電力輸出。(這在管內(nèi)系統(tǒng)所需的接口數(shù)量的減少方面是非常有用的。) 在一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括
c.在所述推進器的上游的外周變窄的結(jié)構(gòu)。在一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括
c.磁體，直接或間接附著到與線圈外環(huán)相關(guān)聯(lián)的所述推進器的外周。在一個實施例中，所述系統(tǒng)還包括
d.在所述推進器的上游的外周變窄的結(jié)構(gòu)，因而屏蔽所述磁體免受向前流動的流體的影響。本發(fā)明首次揭示了一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的葉片支持物，其中，所述支持物是薄的，處于所述渦輪機的運動線內(nèi)。本發(fā)明首次揭示了一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括 a.垂直的軸渦輪機葉片。根據(jù)另一個實施例，所述渦輪機的軸指向側(cè)面。


本發(fā)明在這里將僅通過實施例以及參照附圖的方式進行描述，在這些附圖中 圖1是CFD葉片分析的示意圖。圖2是對稱的杯型葉片的示意圖。圖3是唇緣形的杯型葉片的示意圖。圖4是外周鯊魚形的杯型葉片的示意圖。圖5是小丑笑的鯊魚形的杯型葉片的示意圖。圖6是薄的外周鯊魚形的杯型葉片的示意圖。圖7是錐形的杯型葉片的示意圖。圖8是帶有前沿帶的橢圓形的杯型葉片的示意圖。圖9是鯊魚形的杯參數(shù)的示意圖。圖10是更多的鯊魚形的杯參數(shù)的示意圖。圖11是編號1的葉片的杯參數(shù)的示意圖。
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圖12是編號2的葉片的杯參數(shù)的示意圖。圖13是編號3的葉片的杯參數(shù)的示意圖。圖14是外周環(huán)形的杯型葉片的示意圖。圖15是帶有發(fā)電機的管內(nèi)推進器的示意圖。圖16是帶有線圈的管內(nèi)推進器的示意圖。圖17是管內(nèi)垂直軸渦輪機的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明涉及新的葉片形狀以及與渦輪機尤其是管內(nèi)渦輪機的關(guān)系。定義本專利申請是處理流體的。除非另有說明，它是指任意類型的流體水、油、 氣體等?！叭~片”是可以用“杯”來替代的術(shù)語，當(dāng)這些葉片具有杯的形狀時。根據(jù)本發(fā)明所述的水電式渦輪機的葉片的原理和操作，可參考附圖以及相關(guān)的說明來得以更好地理解?，F(xiàn)在參考附圖，圖1顯示了帶有杯(1)的渦輪機在帶有噴嘴(3)的管(2)內(nèi)的CFD (計算機化的流體動力學(xué))模擬。這些噴嘴已經(jīng)被用在水電式渦輪機內(nèi)，以加速水進入所述渦輪機的葉片。位置(4)顯示了最高速的區(qū)域。位置(5)顯示了高速流的區(qū)域的變形，當(dāng)高速流與葉片發(fā)生接觸時。這顯示了本發(fā)明所要解決的核心問題。如何使渦輪機在充滿流體的環(huán)境(定義為攜帶能量的流體，且能量經(jīng)過是基本類似的流體)內(nèi)通過葉片構(gòu)造來增加效率？如圖1所示，流動環(huán)境和葉片都具有復(fù)雜的三維相互作用。需注意，尾部葉片的前端顯示為推動高速流體離開所述杯而流向外周。需注意，貫穿所述渦輪機葉片的路徑，在外周有更大流速。(這從黑白圖來看可能是困難的。)這是一個新問題，即傳統(tǒng)的水電式渦輪機沒有遇到過。兩個最簡單的解決方案是減少從噴嘴到杯的后部的距離，并使這些杯的前面流線型，這些方法都是之前沒有做過的。作為流線型的一部分，在由與所述管的橫截面面積相關(guān)的所述葉片占用的橫截面間隔與所述葉片到所述管的間隔的幾何關(guān)系之間具有相互作用，例如外周或中央之間具有相互作用。圖2是對稱的半球形杯(6)的示意圖。它們在中央沒有分界線，而在常規(guī)的水電式渦輪機具有分界線。這些杯是由薄的(在運動線內(nèi))、分離結(jié)構(gòu)(7)來支持，分離的結(jié)構(gòu)(7) 附著到所述軸桿。圖3唇緣形的杯(8)的示意圖。圖4是外周鯊魚形的杯型葉片的示意圖。前點(9)是非常流線型的。外部周長 (10)是大致適合于所述渦輪機室的外部。在本圖中，杯(11)的后部是幾乎鉆石型的，但它也可具有其他形狀，這些形狀是比前點(9)的形狀更寬。它們是通過薄結(jié)構(gòu)(12)而被支持到軸桿。圖5是小丑笑的鯊魚形的杯型葉片的示意圖。這個變體也具有尖銳的向前區(qū)域 (13)，但該點是寬的，代替單獨的點，且它的外部周長(14)也近似于所述渦輪機室的外部周長。內(nèi)部周長是一條曲線，該曲線是與所述渦輪機的室的形狀相一致的，以致平滑表面是有效地展示給在內(nèi)部的渦輪機流體。當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時，它產(chǎn)生了幾乎均勻的表面。圖6是薄的外周鯊魚形的杯型葉片的示意圖。它具有非常薄的前點(16)和薄的杯體(17)。在相鄰葉片之間的間隙(18)減少了重量。圖6顯示了所述杯的尺寸如何能被顯著減小，以便獲得用于特定設(shè)備的最小量的功率，同時不妨礙在管內(nèi)的流動，或者便于減少特定量的壓力。圖7是錐形的杯型葉片的示意圖。這些杯具有尖銳的前點(19)和后面的杯(20)， 理想地，杯的內(nèi)部是部分填充的。圖8是帶有前沿帶(21)的橢圓形的杯型葉片的示意圖。這里，單個薄的結(jié)構(gòu)(22) 將所述葉片連接到軸桿。這個帶的設(shè)計不是必要部分，也可采用任意構(gòu)造。圖9是鯊魚形的杯參數(shù)的示意圖。內(nèi)部圓周(23)和外部圓周(24)到達在前面的尖銳的點。在后部的杯(25)內(nèi)部分填充使得后部的杯接近于所述噴嘴。圖10是更多的鯊魚形的杯參數(shù)的示意圖。所述杯的外部周長(27)、前點(26)和渦輪機的內(nèi)部周長(28)已經(jīng)在之前顯示過。本圖特別顯示了所述杯的后面(29、30)的角度作為另一個參數(shù)。在部分(27)和部分(28)之間的角度可根據(jù)葉片與噴嘴以及其他渦輪機條件的關(guān)系而被調(diào)整。在這兩種關(guān)系中，后面杯是與所述葉片的向前運動成銳角的。圖11是編號1的葉片的杯參數(shù)的示意圖。代替達到某個點，前面的杯形(31)與后面的杯形(32)具有一個加厚的、類似平臺的區(qū)域(33)，因為它們是基本上一致的。圖12是編號2的葉片的杯參數(shù)的示意圖。前面的杯形(34)與后面的杯形(35)包括不一致的圓形。圖13是編號3的葉片的杯參數(shù)的示意圖。該圖顯示了如何讓任意形狀能提供不一致的后面的杯(38)，這里是帶有前點(36)的錐形。這里的一個特殊點是可能使得所述杯的內(nèi)部為空(37)。帶有錐形的變體的相同概念是在(39)中可見的。在一個這樣的變體中， 后面的杯和它的平臺在后面的橫截面是對稱的。但也不必然需要這樣。另一種帶有鯊魚型結(jié)構(gòu)的葉片具有內(nèi)部周長(42)、外部周長(43)，且后面的杯(44)在前面的橫截面是不對稱的，以致對稱的外部的橫截面(45)具有一個內(nèi)部的對稱的橫截面(46)，該橫截面是偏離中心的，使得平臺(47)不規(guī)則。圖14是外周環(huán)形的杯型葉片的示意圖。一個管形的內(nèi)部區(qū)域(48)是由圓形的杯 (49)來圍繞的。幾種普通的原理顯現(xiàn)出來。內(nèi)部區(qū)域應(yīng)當(dāng)是左邊開放，內(nèi)部一半?yún)^(qū)域是免除葉片阻礙的，原因在于葉片能在一個區(qū)域少量重疊，占據(jù)另一個葉片的減少的間隙。較慢流動的區(qū)域是在內(nèi)部上的。這與模擬顯示的結(jié)果相適合。這導(dǎo)致在內(nèi)部側(cè)面上采用高度流線型葉片的概念，同時外部區(qū)域與管和它的側(cè)室的形狀相一致。這樣將較慢的移動流體偏轉(zhuǎn)到中央。一個好的方式是它是鯊魚頭的形狀；后面的端部具有杯的形狀，在一個實施例中， 流體是相反噴射的，以致所述葉片的內(nèi)部是可選地中空的。在另一個實施例中，后面的杯形是開放的。后背的缺口或杯是淺的，比前面邊緣更淺，因而使得葉片能更加接近于流體的來源。一個變體是將背部表面(四、30 )傾斜直到從垂直于所述管的外表面起在所述噴嘴的方向上成約20度，以便被引導(dǎo)到如圖1所示的更高流速的流動。這個方法是背部表面角度應(yīng)當(dāng)是垂直于最高流速的矢量方向。
圖15是帶有發(fā)電機的管內(nèi)推進器的示意圖。一個管(50)支持一個結(jié)構(gòu)(51)，該結(jié)構(gòu)支持一個推進器(52)。這里，在外周的一個環(huán)(53)和中央結(jié)構(gòu)(54)，理想地是錐形的， 流體在中央漏斗流動。在一個實施例中，中央錐形物也能支持發(fā)電機(55)。在一個實施例中，電線可接著在所述管的內(nèi)部延伸，直至該電線到達一個合適的位置，供電線離開或與其他電源結(jié)合。本發(fā)明所述構(gòu)造的一個創(chuàng)新處是所述葉片是由在葉片的上游的結(jié)構(gòu)來支持，在一個實施例中，是在管內(nèi)。這使得流偏轉(zhuǎn)裝置可被放置在輪轂的中央位置，以致它使流體外圍地和對稱地轉(zhuǎn)移，因為在所述輪轂之上的運動使無用的。上游固定和中央流偏轉(zhuǎn)裝置的接合是獨特的，帶有或不帶有外周流偏轉(zhuǎn)裝置，理想上也是對稱的。圖16是帶有線圈的管內(nèi)推進器的示意圖。類似地，結(jié)構(gòu)(58)支持在管內(nèi)的推進器(57)，一個漏斗系統(tǒng)是部分地存在。這里的不同在于由所述漏斗系統(tǒng)屏蔽的葉片的末端具有磁體(60 )和用于線圈(61)的外部環(huán)?！獋€替代系統(tǒng)可以是以推進器軸桿附著到齒輪或附著到齒輪與皮帶結(jié)構(gòu)，接著直接或通過磁耦合來轉(zhuǎn)動發(fā)電機的軸。改變所述推進器的形狀和尺寸以適應(yīng)在上游與下游區(qū)域之間的在壓力方面的差異降低的裝置與方法都因此而被展示。圖17是管內(nèi)垂直軸渦輪機的示意圖。該圖顯示了處于S形狀(63、65)的雙葉片變化，這是在這個環(huán)境下作為一個具體實施方式
而被要求保護的。在具有Mvonius風(fēng)力類型的中央間隙的雙葉片變體的應(yīng)用也被要求保護。該軸桿的軸可以是垂直的(62)或水平的(64)。原因在于理論上構(gòu)造b (64)將與在圖1中所示的噴嘴一起工作得更好，這樣顯示了渦輪機的旋轉(zhuǎn)與推動液體到外部的重力。具有這樣的方向，整個底部可接受在它的操作的矢量上的增加的流動區(qū)域。在所有例子中，所述葉片不會必然需要近似于所述管的橫截面，且它們也可以是更小。這里是相關(guān)的杯參數(shù)的總結(jié) 杯的橫截面與管的橫截面在面積上的關(guān)系； 杯的外周位置；
前部結(jié)構(gòu)的形狀、角度和尺寸； 后部結(jié)構(gòu)的形狀、角度和尺寸； 外周側(cè)面的形狀、角度和尺寸； 中央側(cè)面的形狀、角度和尺寸； 支持所述杯的結(jié)構(gòu)。雖然本發(fā)明已經(jīng)根據(jù)有限數(shù)量的實施例進行了說明，但應(yīng)當(dāng)明確的是，本發(fā)明的許多變化、修飾和其他應(yīng)用都是可實現(xiàn)的。
權(quán)利要求
1.一種帶有高度流線型的杯的水電式渦輪機，被限定為從中央的前點到外周的后點的角度是小于45度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機，其特征在于所述渦輪機定位在管內(nèi)。
3.一種水電式渦輪機，包括杯，所述渦輪機的向前區(qū)域包括尖銳的單獨的點或延伸的點ο
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機，其特征在于所述渦輪機定位在管內(nèi)。
5.一種水電式渦輪機，包括杯，所述渦輪機的前部分和后部分是不一致的，所述渦輪機的后部分是較淺的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機，其特征在于所述渦輪機定位在管內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機，其特征在于所述杯是空的，在所述渦輪機的前部分和后部分之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪機，其特征在于所述杯的向前區(qū)域達到尖銳的單獨的點或延伸的點。
9.一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其特征在于所述杯型葉片的內(nèi)圓周和外圓周是不對稱的。
10.一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其特征在于所述杯型葉片的后平臺是不對稱的。
11.一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其特征在于所述杯型葉片的后平臺具有比所述渦輪機的后部的橫截面面積的大5%的橫截面面積。
12.一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的杯型葉片，其特征在于所述渦輪機的后部的橫截面的平面是不垂直于所述杯型葉片的運動方向的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的杯型葉片，其特征在于所述渦輪機是定位在管內(nèi)。
14.一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括杯，這些杯延伸的外周不超過所述渦輪機的直徑的 50%ο
15.一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括杯，這些杯的外圓周是與所述渦輪機的壁一致的，且這些杯的內(nèi)圓周是與所述渦輪機的壁不一致的。
16.一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括a.推進器；b.在所述推進器上游的中央的圓錐形結(jié)構(gòu)，通過連接到所述推進器的結(jié)構(gòu)或者通過分離的結(jié)構(gòu)來將所述中央的結(jié)構(gòu)支持在合適的位置。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的渦輪機，其特征在于，還包括c.在所述中央的結(jié)構(gòu)內(nèi)的發(fā)電機。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的渦輪機，其特征在于，還包括d.導(dǎo)電的電線，從所述發(fā)電機沿著所述管延伸；e.電力輸出系統(tǒng)，將至少兩條所述電線的電力輸出結(jié)合為單個的電力輸出。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪機，其特征在于，還包括 c.在所述推進器的上游的外周變窄的結(jié)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪機，其特征在于，還包括c.磁體，直接或間接附著到與線圈外環(huán)相關(guān)聯(lián)的所述推進器的外周。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的渦輪機，其特征在于，還包括d.在所述推進器的上游的外周變窄的結(jié)構(gòu)，因而屏蔽所述磁體免受向前流動的流體的影響。
22.一種用于水電式管內(nèi)渦輪機的葉片支持物，其特征在于所述支持物是薄的，處于所述渦輪機的運動線內(nèi)。
23.一種在管內(nèi)的水電式渦輪機，包括 a.垂直的軸渦輪機葉片。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的渦輪機，其特征在于所述葉片是帶有間隙的Mvonius類型的葉片。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的渦輪機，其特征在于所述渦輪機的軸指向側(cè)面。
全文摘要
以水電式管內(nèi)渦輪機在特殊環(huán)境下工作需要在葉片形狀上進行創(chuàng)新以及這里所提供的系統(tǒng)。一個例子是這些葉片的流線型比傳統(tǒng)水電式渦輪機中所表現(xiàn)的流線型更大。
文檔編號F03B13/10GK102369353SQ201080023421
公開日2012年3月7日 申請日期2010年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月26日
發(fā)明者丹尼爾·法伯, 喬·范茨沃仁, 肯·科爾曼, 迦底·哈爾利, 阿夫納·法卡什 申請人:利維坦能源空氣動力學(xué)有限公司