專利名稱：垂直軸渦流風力渦輪機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及在平行主流中例如獨立權利要求前序部分所述的帶有切向入流閥和至少一個出流孔的入流流型中的平行旋流和/或螺旋形旋流的高環(huán)量或高集中速度和/或高集中質量的渦流的一種產生和利用方法，以及涉及實施該方法的裝置。
本發(fā)明的方法和裝置可以提高平行流在轉換成高環(huán)量或高集中速度和/或高集中質量的渦流時的效率，以及形成穩(wěn)定的渦流和插入主流中。并保證了流經實施該方法的裝置的自由入流通過主流。本發(fā)明的裝置可用于各種流型中，其數(shù)量取決于尺寸和提供的空間。所設置的裝置的尺寸和數(shù)量主要取決于制造的渦流的環(huán)量強度。本發(fā)明裝置也可設置在層流的平行流中。這時產生的渦流在下游利用其能量，例如進一步制成誘導的渦流圈來把較深層的流體運送到表面上。
在流體力學中，大家熟知的紊流與流體的層流的區(qū)別是，紊流具有到底層的渦流。工程上產生渦流，例如為了集中風能而在風流中產生渦流圈，這已在專利文獻DE-PS3330899敘述。在這里將翼型構件布置成星形，以使旋渦在一個內圓上撕斷，并被風流帶走。在下游引起的渦流圈在一個較小的圓內加速流速，已證明可達到兩倍。與未加速的流體比較，這種集中速度的流體具有較大的功率。缺點是，集中的裝置比相同額定功率的空運轉的渦輪機具有大得多的投影入流面。如在所有機翼時一樣，升力的特性曲線和渦流形成的特性曲線取決于迎角和入流速度。由此而引起調節(jié)和控制費用。不能防止聲音傳播。
在由于螺旋漿引起的功率消耗不斷增加時，可看到渦流開裂，渦流開裂可導致功率減小，直至渦流圈破壞為止。在這方面只公開了一種較小的試驗設備。
專利文獻PCT/DE92/00450公開了在各種流型中從平行流產生旋流的一種方法和裝置。在內旋流中，渦流發(fā)生器設置在同心圓上，其中渦流發(fā)生器根據(jù)不同的入流產生渦線、制造邊緣渦流或管狀渦流。這種渦流通過平行旋流在流型中繞成渦流圈，這種渦流圈誘導出一個軸向的附加速度，從而在流型中引起軸流加強和圓周速度增加。其中繞流一個內空心體，在這個空心體中吸入軸流以及吸入誘導出的許多渦流。這樣就可在勢渦的作用區(qū)內設置一臺渦輪機或將空心體直接作為渦輪機利用。這種裝置的效率主要取決于產生渦流的構件的環(huán)量。
業(yè)已證明的缺點是，產生這種渦流的構件在流體力學上反應緩慢，所以需要較大的自由流程來產生穩(wěn)定的誘發(fā)的渦流。此外，這種渦流的形成過程取決于迎流物體的形狀和引入主流的引流處的壓力情況。
為了提高渦流的環(huán)量，人們提出了設置帶有多個入流孔的內部空心體，渦流發(fā)生器直接設置在空心體的圓周上，并作為渦輪機利用。這種方案達到的效果是，在由于渦輪機引起能量消耗時增加平行旋流的圓周速度并同時提高這種渦輪機的效率。此外，有人提出將這種渦輪機配制多個葉片以及翼型的隔壁來直接產生較大環(huán)量的渦流，而且也可在垂直軸轉子中利用繞流機翼或機翼型葉片的升力的流體力學上的諸多優(yōu)點。
這種渦輪機引起能量消耗時產生的平行旋流的圓周速度的增加作為驅動旋場而引起渦輪機效率的進一步提高。與利用純阻力比較，通過利用升力增加了渦輪機的功率。產生渦流的構件的設置受到了渦輪機的結構空間的限制，因而功率增加受到結構工程方面的限制。
本發(fā)明的任務是提出一種方法和裝置來產生高環(huán)量或高集中速度和/或高集中質量的能量可利用的渦流，以及保證在引入主流的過程中和引入主流以后以及在誘發(fā)的渦流圈中的能量的可利用性。
此外，本發(fā)明的任務還在于擴大這個方法的使用范圍并提出一些裝置，這些裝置可設置在多種流型中和/或入流的平行流中來產生渦流及其能量利用，或可增大集中的入流面和提高旋轉流體能量的集中程度。
根據(jù)本發(fā)明，這些任務是通過獨立權利要求中所述的特征來實現(xiàn)的。
根據(jù)本發(fā)明，在一種分層的平流中和/或在制造旋流的多種流型中，用一個或多個裝置同時產生固定在一個旋轉軸上具有流體動能的不同作用的各種渦流，并轉換成一個新的渦流形狀，其中，在高壓作用下在一個帶螺旋形入流孔的空心圓柱體的一個內圓上同心地產生一個接近旋轉軸的集中速度并可調節(jié)的有勢中心渦，以及同時在流體壓力作用下在相同長度的一條外螺旋線上產生一個較大的包絡渦，其中螺旋線的中心大于空心圓柱體的直徑，并引起空心圓柱體的外側繞流，有勢中心渦以其速度場在內部和包絡渦在外部以速度場的內半徑同時在邊界層上作用在空心圓柱體的一個例如截錐表面形狀的固定或旋轉的滲透流體或不滲透流體的覆蓋面，在這個覆蓋面上渦流的圓周速度增加，直至有勢中心渦的中心流出為止，有勢中心渦以及包絡渦的圓周速度在流出半徑上調節(jié)成包絡渦推動有勢中心渦，有勢中心渦流入包絡渦的低壓中心，于是高壓便轉換成動能。包絡渦為制造和保持有勢中心渦創(chuàng)造了流體力學的存在條件，并防止集中速度的有勢中心渦的開裂，這兩種渦流形狀匯合成一個在渦心具有明顯高的環(huán)量和高集中速度的有勢管狀渦，在包絡渦的渦流發(fā)生器中有一個出流孔，在流體壓力作用下轉向流出到待產生的主流中，以渦流穩(wěn)定的形式插入主流中，并繞成一個誘發(fā)的渦流圈或能量可利用的別的形狀。
根據(jù)本發(fā)明，實施方法的第一裝置由一個設置在旋轉軸上方側向開孔的空心圓柱體構成，該圓柱體位于螺旋線的中心。空心圓柱體的入流孔垂直于迎流設置，其底面是封閉的。在空心圓柱體的另一端面上設置有一個帶中心出流孔的覆蓋面，該覆蓋面例如可構成截錐形。該覆蓋面可設置成滲透流體和可旋轉的。
這個空心圓柱體被一個具有相等的封閉底面的螺旋線構成的包絡渦流發(fā)生器構件的圓周面這樣包圍住，即可進行空心圓柱體的繞流。在空心圓柱體的螺旋形或作成簡單圓弧的入流孔范圍內，這個圓周面是這樣開孔的，即入流孔的自由入流可通過主流并由空心圓柱體繞流合成的體積流量集中在入流孔的較小的半徑上。
在空心圓柱體覆蓋面的范圍內，包絡旋渦發(fā)生器的圓周表面構成管狀渦流所需的螺旋線，所以在覆蓋面上方可產生一個管狀渦流，并把由空心圓柱體引起的明顯的旋流傳遞到覆蓋面上。為了制造穩(wěn)定的渦流，包絡旋渦發(fā)生器具有一個按流體力學確定的比空心圓柱體高的高度，這個高度至少相當于空心圓柱體的兩倍高度。
當一個平行流、一個平行的旋流或一個螺旋形的旋流流入本發(fā)明的第一裝置時，這種流體被分成三種不同作用的體積流量。在底面范圍內直至空心圓柱體覆蓋面下方通過空心圓柱體的入流孔的垂直入流產生高壓，于是在空心圓柱體上產生一個小于入流速度的外圓周速度。同時在包絡旋渦發(fā)生器中的空心柱體中產生外部螺旋形繞流，從而在下部范圍圍繞空心圓柱體構成一個同心圓的旋流。這種旋流由于比垂直的入流的圓周速度高而增加了流入空心圓柱體的體積流量。與垂直的入流相比，在空心圓柱體的外半徑上產生圓周速度的較大起始值。
在空心圓柱體上制造的外部旋流通過包絡旋渦的螺旋形流動的流體保持在圓柱體覆蓋面上方。圓周速度隨半徑減小而變大。
通過離心力的作用，在旋轉軸上方產生一個低壓中心，這個低壓中心通過旋轉被固定在空心圓柱體的出流孔上并在這個出流孔中產生作用而在空心圓柱體的入流孔上引起一個抽吸作用。
同時在空心圓柱體的出流孔方向內在有勢渦內產生一個環(huán)量而不需要外部入流的引入。環(huán)量可按旋轉動量定律計算、從結構上進行調節(jié)并按亥姆霍茲渦流定理在渦管的橫截面變化時保持不變，當這種橫截面變化同時預先給出由于出流孔上方作用的低壓力而引起的平移形式的方向變化時，出流孔就表示橫截面變化。
盡管向里的圓周速度不斷增加和不斷增加的離心力作用，還是發(fā)現(xiàn)有一個具有自然遷移機理的質量流量流入并通過一個勢渦。
速度場的流線的同心圓同時是質點的運動跡線，所以根據(jù)旋轉動量守恒定律，同心圓表示標準勢，標準勢可通過圓周速度來區(qū)分。
如果質點在勢渦的內部進行平移位置交換，則由于能量守恒定律的原因，缺少的質點必須被補充，同時由于相同的原因在速度場的同心圓上必須保持自然標準勢。遷移機理可作為許多與勢渦旋轉方向相反的質點進行的螺旋形位置交換來描述。在這種位置交換中，質點由一個小的圓周速度加速到一個大的圓周速度。這種位置交換至少以動量速度進行，所以根據(jù)標準勢的慣性矩，標準勢保持不變，而且離心力對質量流量不起阻塞作用。實際上沒有能量損失就實現(xiàn)了質量流，而且只與包絡渦的低壓大小有關。
如所周知，旋渦中心根據(jù)它的發(fā)生器半徑大小為0.65倍半徑，這個半徑由空心圓柱體的出流孔確定，所以根據(jù)本發(fā)明產生一個有勢中心渦，其最高圓周速度位于出流孔的0.65倍半徑上。
出流橫截面和包絡渦的有效低壓中心確定有勢中心渦移動到包絡渦的低壓中心的移動速度。
旋轉和包絡渦低壓中心之間的分界層同時為有勢中心渦制造了一個流體力學的壁，這個有勢中心渦在流入時可支持在這個壁上。由于覆蓋面上方的自由旋流，這里所謂的旋流可理解為入流壓力，所以圓周速度也不會下降到空心圓柱體中建立高壓時必須轉變的速度值。
從中可得出這樣的結論包絡渦的內圓周速度在到低壓中心的分界層上比流入的有勢中心渦的外圓周速度大。所以在高壓作用下朝包絡渦涌出的有勢中心渦在其外圓周上被包絡渦推動。
在高壓作用下空心圓柱體產生有勢中心渦，該高壓的勢能不可能徑向有效作用和引起有勢中心渦的膨脹。
高壓在分界層內的被推動的外圓周速度以及較小的內圓周速度之間只有一個自由作用方向。從而壓力梯度在圓周速度方向內是一個合力，所以高壓只可能轉換成動能來加速有勢中心渦。
這樣就在包絡渦發(fā)生器內合成一個高環(huán)量的、穩(wěn)定的、結構可調節(jié)的和增大的渦流，這個渦流具有一個外螺旋形的入流。
在流出到主流之前就對新的渦流形狀制造了全部存在條件。這種渦流在流出到主流時已插入待產生的主流中而在渦流和主流之間沒有壓差。
這種渦流的環(huán)量例如可完全用于要制造的渦流圈的誘導過程。
根據(jù)本發(fā)明，可使渦流的環(huán)量和空間需要適合結構和能量的要求。
本發(fā)明的方法產生的新的效果是，在一個準封閉空間中的高壓力作用下與在入流壓力作用下和在一個共同旋轉軸上方的渦流層的螺旋形卷入下的發(fā)展過程統(tǒng)一成一個與時間有關的集中速度過程，從而在產生的新渦流形狀穩(wěn)定地引入要產生的主流的過程中提供能量來使內渦流加速。
這樣就為產生渦流的構件創(chuàng)造了高度標準化的前題，從而有利于這種構件批量生產的經濟性。本發(fā)明的第一裝置可用于要產生能量集中的所有流體中，從而可大大改善經濟性。
在該方法的一種改進方案中，在一個主流中任意地或在一個圓上、在垂直于主流固定的許多旋轉軸上和在相應的一個旋轉軸上通過螺旋形的入流在低壓作用的出流孔、通流孔和底部邊界層之間構成的渦流室產生許多相互溝通的勢渦，在這些到出流孔具有最大距離的勢渦中制造高集中的中心渦流，而在到出流孔距離不斷變小的勢渦中則由于渦流中心的形成而制造出渦流管，同時中心渦流和渦流管通過作用的低壓力同軸地加速相互推動并產生分層的中心渦流，其中圓周速度通過流體半徑調節(jié)，在出流孔之前有一個膨脹和穩(wěn)定階段，這個階段可通過一個自然的旋渦尺寸來確定長度，在膨脹和穩(wěn)定階段分層中心渦流通過與出流半徑和通流半徑有關的高壓力作用下以及通過中心渦流的內部驅動轉變成具有合成圓周速度的渦流，并且集中速度和/或集中質量地穩(wěn)定地導入主流中。
根據(jù)本發(fā)明，在一個圓上，在一個或多個與主流保持垂直的旋轉軸上方，由于溢出的主流而在一定的面和/或裝置上產生低壓力，通過這種低壓力使軸流導入主流中，同時從主流的螺旋形流入渦流室中的入流在過壓力作用下制造有勢渦，該有勢渦的旋轉軸與垂直于主流的旋轉軸一致。在有勢渦中通過半徑變小來實現(xiàn)圓周速度的增加，并朝與旋渦有關的例如噴嘴形的設置在垂直旋轉軸上方的一系列渦流室的出孔方向制造集中速度和/或集中質量，在其上作用主流的低壓力，而且集中質量同軸地在旋轉軸上方平移。沿垂直旋轉軸在各個勢渦中產生在其旋轉軸上的不同的集中速度，可達到的最大集中速度和集中質量在離主流的低壓面最遠的勢渦中。根據(jù)在垂直的旋轉軸上設置的勢渦的數(shù)量這樣減少制造在主流的低壓作用方向內的集中速度，即由各個勢渦的出流口流出的中心流的外圓周速度與在主流低壓面方面內隨后流過的勢渦在垂直軸上方的渦流中心速度接近一致。然后朝主流方向這樣合成的分層渦流中心流體在主流的低壓力的面積下方范圍內經過一個與時間有關的膨脹階段，在這個階段中由于高壓力使集中質量在這個分層的中心流體中保持穩(wěn)定，這樣就把直徑與長度的比例大致小于和等于1∶6的自然渦轉變成高集中速度和高集中質量以及高環(huán)量的形狀穩(wěn)定的渦流。
根據(jù)本發(fā)明，可顯著擴大產生渦流的裝置的可集中的入流面，其中通過制造的分層的和穩(wěn)定的渦流中心流體創(chuàng)造新的流動形狀并集中能量加以利用。這樣就導致集中過程的效率增加和部分大的質量流量通過主流的較小旋轉模截面。根據(jù)本發(fā)明，借助于平行流中的渦流通過自身誘導構成誘導的渦流圈，從而相對于主流產生部分的高的誘導的附加速度，這種附加的速度可用于集中的質量傳輸來產生可利用的能量。在旋流中插入的渦流可繞成渦流圈，從而產生軸向誘導的附加速度，這種附加的速度通過本發(fā)明作用的一個垂直軸轉子加速被驅動的旋流。
實施本發(fā)明方法的第二裝置由一個設置在旋轉軸上方的側向呈螺旋形開口的空心圓柱體構成。該空心圓柱體的入流孔垂直于入流設置，其底面是封閉的。在空心圓柱體另一端面上設置了一個具有一個與基圓同心的出流孔的遮蓋面，該遮蓋面例如在基圓內可作成截錐。在與入流垂直的空心圓柱體豎立的旋轉軸整個長度上設置了在空心圓柱體的基圓上帶中心通流孔的其他圓錐形隔壁，從而構成渦流室。這些渦流室的中心通流孔是這樣確定的，即空心圓柱體的遮蓋面的截錐的出流孔具有最大的半徑，而設置在空心圓柱體內部的全部通流孔的半徑則分別小一定的值，此值由在渦流室中產生渦流的流體力學條件得出。半徑減小大約可為0.65r，其中r表示出流孔方向內的較大半徑。
當一個平行流、一個平行旋流或一個螺旋形旋流流經本發(fā)明第二裝置時，個作為整體流入的體積流量被分成不同作用的體積流量。在底面范圍內直至空心圓柱體覆蓋面下方，在空心圓柱體入流橫截面上方的垂直入流產生高壓力。在最小通流半徑的渦流室中高壓力作用最大。渦流室中的高壓力隨通流面的增大而下降。在垂直旋轉軸上方產生一個過壓差，隨著高壓力減小，在渦流室和膨脹室的外半徑上產生圓周速度的較大起始值。
同時在空心圓柱體的渦流室中，沿出流孔方向產生勢渦的環(huán)量。這個環(huán)量可按旋轉動量定律計算并在渦管的橫截面變化時保持不變。當這種橫截面變化同時預先給出由于出流孔上方作用的低壓力而引起的平移形式的方向變化時，則出流孔和通流孔就表示橫截面變化。出流孔和通流孔的直徑具有對確定集中速度的特征，下方設置的渦流室直徑的噴嘴形的減小則對集中質量過程至關重要。噴嘴錐體的開角是可以選擇的，這樣有勢的高壓力轉換成動能便可對要流出的中心渦流的外圓周速度加速。質量流量可通過一個帶有自然遷移機理的勢渦。從理論上講，速度場的流線同心圓按勢渦理論同時就是無質量流通過的質點的跡線。在實際的勢渦中，流線和跡線的同心圓按旋轉動量守恒定律形成管形的標準勢，這種標準勢可通過圓周速度來區(qū)分。這種標準勢必須保持不變。與電工學中描述的半導體模型相似，這種勢在流體中也可作為空間電荷狀態(tài)來表示。帶有能量的質量可在正的無質量的空間中排列成負的空間電荷狀態(tài)。這樣就可在渦流中看出質量遷移的實際機理。在勢渦內部進行質點位置交換時，由于能量守恒定律的原因，缺少的質點必須予以補充，同時由于相同的原因，在速度場同心圓上的自然標準勢必須保持不變。遷移機理可作為許多與勢渦旋轉方向相反的質點進行的螺旋形位置交換來描述。在這種位置交換中，質點由一個較小的圓周速度在利用重力的情況下加速到一個較大圓周速度的勢能作用。位置交換至少以動量速度進行，所以根據(jù)標準勢的慣性矩，標準勢保持不變，而且離心力對質量流量沒有阻塞作用。實際上沒有能量損失實現(xiàn)了質量流，而且只由出流孔上方的低壓力來確定。
具有最高圓周速度的渦流中心根據(jù)它的發(fā)生器半徑大小構成0.65倍半徑，這個半徑由空心圓柱體的出流孔來確定。根據(jù)本發(fā)明產生一個中心渦流，它的最小的外圓周速度位于空心圓柱體出流孔的半徑上，而它的最大圓周速度則位于渦流室的出流孔的0.65r上，這個最大的圓周速度離空心圓柱體的出流孔最遠。通過在空心圓柱體出流孔下方的渦流室內的膨脹階段，分層的渦流中心流體被穩(wěn)定成一個具有合成圓周速度場的渦流，這個出流孔通過出流孔的直徑與渦流室的高度的比例例如大約小于和等于1∶6來表征。出流橫截面、空心圓柱體的高壓力和作用的低壓力確定著中心渦流的轉移速度。因此，在空心圓柱體中產生分層中心渦流的高壓力的勢能不可能是徑向作用的，而是通過空心圓柱體的出流孔下方的噴嘴形狀轉換成動能，這種動能引起穩(wěn)定的渦流的外圓周速度的加速。
其結果是，產生穩(wěn)定的、結構可以調節(jié)的和增強的高集中速度和/或高集中質量以及高環(huán)量的中心渦流。在流入主流之前制造了新的渦流形狀的全部存在條件。這種中心渦流的環(huán)量和集中質量例如完全可用于制造渦流圈的誘導過程。與沒有集中質量的簡單的環(huán)量比較起來，通過可壓縮流體的集中速度和集中質量提高了功率。
這可從計算渦流圈的誘導中心速度的關系式中得出，即環(huán)量與旋渦數(shù)的乘積除以渦流圈長度。根據(jù)本發(fā)明，勢渦的數(shù)量通過在一個空間內制造的環(huán)量來集中，這樣，在該圓上便可設置大得多的總環(huán)量。
根據(jù)本發(fā)明，可使渦流的環(huán)量和空間需要適合換能器的結構和能的需求。
用本發(fā)明方法產生的新的效果是，將一個與時間有關的集中速度過程在高壓力作用下與準封閉空間中的軸向的集中速度和集中質量的中心渦流的形成過程結合起來。
本發(fā)明的第二裝置同樣可用于要制造能量集中的全部流體中。
本發(fā)明的幾個實施例表示在附圖中，并在下面進行詳細說明。附圖表示

圖1表示第一裝置實施例的一個縱截面示意圖2表示圖1實施例的一個橫截面；圖3表示第二裝置實施例的一個縱截面示意圖；圖4表示圖3實施例截面A-A的橫截面示意圖；圖5表示在一個有勢渦中的質點運動機理的三維示意圖。
圖1表示第一裝置第一實施例，在一個底面1上設置了一個空心圓柱體2和一個螺旋形的包絡渦發(fā)生器3。空心圓柱體2在其外圓周表面上有一個入流孔4，且其端面用一個遮蓋面5蓋住，遮蓋面5的中心設置一個出流孔6，用出流孔6的半徑以及空心圓柱體2的外半徑可調節(jié)一個要制造的有勢中心渦的集中速度。而環(huán)量則只由空心圓柱體2的外半徑和外圓周速度來確定。
一次制造成的環(huán)量在橫截面變化和渦流平移時由于能量守恒的原因必定保持相等。
在底面1上設置了一個具有一個包絡渦的相同旋轉軸的包絡渦發(fā)生器3。該發(fā)生器由一個一側敞口的圓柱體7組成，它的橫截面8為螺旋形。在圓柱體7中設置了一個具有相同中心的空心圓柱體2?？招膱A柱體2的外圓周表面和圓柱體7的螺旋形敞口的內圓周表面在空心圓柱體2的入流孔4上方具有一個按流體力學確定的距離。這樣構成的流動空間9用來制造空心圓柱體2外部的繞流。
在空心圓柱體2入流孔4的范圍內，圓柱體7的圓周表面10上開有孔，孔11終止于遮蓋面5下方的入流孔4。遮蓋面5最好由一個截錐表面組成，其最小的直徑由出流孔6構成。一側敞口的螺旋形圓柱體7的圓周表面伸出空心圓柱體2，伸出的長度按流體力學確定，但至少是空心圓柱體2的大約兩倍的長度。這樣，在出流的渦流穩(wěn)定插入流入要產生的主流中時就可得出一個理想的總高度。這里對不同的尺寸需要經驗的試驗。
圓周表面10形成一個垂直于主流設置的入流橫截面12。入流橫截面12通過孔11擴大，所以主流同樣可垂直流經入流孔4。
當流體流經本發(fā)明第一裝置時，在起動階段有三個體積流量在相同的旋轉軸起作用。
流入入流孔4的部分體積流量產生高壓并在空心圓柱體2中產生一個相應減小的外圓周速度，由該圓周速度在空心圓柱體2中產生一個環(huán)量。
在入流孔4的范圍內流入入流橫截面12的部分體積流量通過圓柱體7的螺旋形入流繞空心圓柱體2產生一個旋流，該旋流具有一個平移分量并超過遮蓋面5保持不變。同時流經入流孔4的垂直入流通過這個旋流疊加，所以增加了空心圓柱體2的外圓周速度和環(huán)量。
在孔11上方的入流橫截面12范圍內流入的部分體積流量制造一個旋渦形的管狀渦。這個管狀渦在出流孔6上方產生一個快速的旋轉，從而形成一個低壓中心，并在出流孔6上方產生作用。如果在起動階段后形成全部流體狀態(tài)，則通過出流孔6在空心圓柱體2的入流孔4中開始產生一個抽吸過程，這個過程由出流孔6上方的旋渦形包絡渦的低壓中心的低壓大小來確定。
在圓柱體2中制造的勢渦按入流孔半徑的0.65構成一個旋渦中心，在這個旋渦中心保持最高的圓周速度。
這樣可平移的有勢中心渦根據(jù)旋轉動量守恒定律具有在空心圓柱體2內可進行調節(jié)的環(huán)量。
這個有勢中心渦被拉入包絡渦的低壓中心，從而在空心圓柱體2內產生一個圓周速度的加速。同時由于包絡渦在邊界層旋轉到低壓中心時的較高的圓周速度，這個包絡渦便向外推動流入的有勢中心渦，這樣，有勢中心渦內的高壓降壓成動能，并產生一個穩(wěn)定的加速度。
根據(jù)本發(fā)明，包絡渦的低壓中心通過截錐形的遮蓋面5和在出流孔6適合出流口6范圍內要流出的有勢中心渦的直徑，所以設置的邊界層變得有效。這樣，有勢中心渦便可無擾動地流入低壓中心。因此，兩股渦流匯合成一個新的渦流形狀而不需外部的擾動流入。
圖3表示第二裝置的一個實施例，在這個裝置中，在底面21上設置了一個空心圓柱體22以及朝入流橫截面31設置了一個空心圓柱體的螺旋形開孔?？招膱A柱體22用一個遮蓋面26蓋住。在空心圓柱體22基圓的上面設置了一個帶有一個出流孔30的噴嘴錐體32。在噴嘴錐體32下方構成一個膨脹室33，它由渦流室35的噴嘴錐體25的一個通流孔28限定。在渦流室35下方設置了一個渦流室36，渦流室36由帶有中心通流孔29的噴嘴錐體24以及帶有出流孔30的噴嘴錐體23構成。渦流室27由底面21限定。膨脹室33以及渦流室35；36；37通過圖中未示出的螺旋形入口與入流橫截面31連通。
環(huán)量Γ在螺旋形入口時由平均的入口半徑re和在該半徑上保持的流速來確定。環(huán)量按下式計算Γ=Ve·2π·re從中可得出這樣的結論在膨脹室33和渦流室35；36；37中根據(jù)較小的出流孔和通流孔建立的高壓降低平均入流速度并相應降低環(huán)量。這個速度的降低與一個在出流孔27上方面積形作用的低壓起相反作用。在圖中未詳細示出的用來產生低壓的裝置可任意選擇，只是旋渦中心流體的未擾動的運送應當是有條件的。借助于低壓作用一次制造的較高環(huán)量必需在橫截面變化和渦流中心流體轉移時在渦流室35；36；37的內部和膨脹室33中由于能量守恒的原因必需保持不變。
當流體流經第二裝置時，體積流量分成四個不等的分流量，并呈螺旋形流入膨脹室33和渦流室35；36；37中。根據(jù)產生的高壓，內腔33；35；36；37中的螺旋形入流轉變成一種勢渦形狀，這樣圓周速度朝旋轉軸34的方向增加。在渦流中心產生最大的圓周速度。由出流孔27和通流孔28；29；30引起的渦流中心可用0.65半徑進行調節(jié)。亦即由于能量守恒定律的原因，隨著出流孔逐漸變小而產生較大的圓周速度。這是通過試驗證明了的，而且是可重復的。在渦流室37中在通流孔30上方制造的環(huán)量Z1在起動階段結束后構成的渦流中心為0.65r10。渦流室36的渦流中心通過直徑選擇相當于環(huán)量Z1的外圓周速度的通流孔29。環(huán)量Z2包絡環(huán)量Z1。環(huán)量Z3包絡環(huán)量Z2，環(huán)量Z4包絡環(huán)量Z3。全部渦流中心Z1至Z4都是根據(jù)出流孔或通流孔的半徑制造的，并且只要分界層中出現(xiàn)圓周速度差，這些渦流中心就會在這種分層的渦流中心流體中獨立存在。由于朝出流孔27去的高壓不斷變小，在旋轉軸上方的環(huán)量Z1的橫截面中保持最大的高壓勢。由于在出流面27上方每單位面積上作用的高壓是相等的，所以在環(huán)量Z1中由于高壓比低壓的壓差而產生最大的遷移速度。這樣，Z2至Z4移動和旋轉到旋轉軸34所需的勢位是穩(wěn)定的。在膨脹室33中可通過所有圓周速度均化為一個合成的速度場來實現(xiàn)渦流的穩(wěn)定性。由于環(huán)量、集中速度和集中質量作為面積積分必須保持不變，所以構成一個符合這些存在條件的實際渦流。
圖4以橫截面表示環(huán)量Z1至Z4，通過入流橫截面31流入的體積流量通過噴嘴錐體25下方和上方的空心圓柱體22的螺旋形孔口導向并通過該錐體隔開，噴嘴錐體25的出流孔位于環(huán)量Z4下方，并相當于環(huán)量Z4的內邊界層線。
由于高壓以及由于出流孔27上方作用的低壓使平行于旋轉軸34的渦流中心流體產生平移。在膨脹室33和渦流室35；36；37中根據(jù)相應流體橫截面減去的質量部分在保持旋轉時必須補充。由于在勢渦理論中沒有產生質量流量，所以能量傳輸必須是無損失地進行。如圖5原理圖所示，在相應分界層的排出的空間中支承的勢渦內的質點的位置交換是與熱渦旋轉方向相反向內并通過重力向下方的平面進行的。圖5示意描述了這樣一種位置交換過程。從圖中可看出，圓周速度較慢的質點在外半徑上形成一個管形的標準勢N1，該標準勢在整個高度上都是相等的。標準勢N2表示由于半徑減小而引起的一個較高的圓周速度，標準勢N3和N4也是如此。當一個用黑球表示的質點被拉入軸流中時，則會短時間地產生一個空的空間，這個空間在同心的流線上用白球即所謂空隙球來表示。由于重力作用和一個較快的圓周速度的勢作用，一個質點從一個外部標準勢N3加速返回到空位上的標準勢N4中。標準勢N3上的空位被標準勢N2的一個質點占據(jù)，于是空隙球轉移到標準勢N1。質點向里移入旋渦中，空隙球方向相反離開該旋渦。圓周速度的勢和重力作用都可以看出，所以通過一個勢渦的質量流量只與渦流中心流體的平移速度有關。這些過程是可以重復的。
權利要求
1．在平行主流中高環(huán)量的渦流的產生和能的利用的方法，這種平行主流在流體模型中可直接作為平行流或間接作為由平行流產生的平行旋流和/或作為螺旋形旋流加以利用，其特征在于在一個主流中在垂直于入流的許多旋轉軸的一個相應旋轉軸上至少制造兩股渦流，一股是在一個空心圓柱體中制造的內渦流作為在高壓作用下的勢渦和另一股是在一側為螺旋形開口的圓柱體中制造的包絡外渦流作為在流體壓力作用下的包絡渦，旋轉軸上的勢渦隔開一定的流體力學距離并由包絡渦加速產生和制造一個在直徑上固定的渦流中心的高環(huán)量的有勢中心渦，這個直徑固定調節(jié)或通過高壓力調節(jié)，同時在有勢中心渦上方的包絡渦中構成一個低壓中心，低壓作用到空心圓柱體出流孔的有勢中心渦的橫截面上，并將有勢中心渦吸入低壓中心，有勢中心渦通過包絡渦的較高圓周速度或通過高壓的一個壓力梯度加速，穩(wěn)定地流入待產生的主流中，并在這個主流中例如通過繞成一個誘導的渦流圈來利用能量。
2．按權利要求1的方法，其特征在于在一個主流中，在一個圓上在與入流垂直的許多旋轉軸上在一個低壓作用的出流孔、通流孔和一個底面之間的相應一個旋轉軸上通過螺旋形入流進入旋渦室中產生許多相互連通的有勢渦，在這些有勢渦中制造一個到出流孔最大距離的中心渦流和制造一個到出流孔距離變小的渦流管，并通過在出流孔方向的低壓同軸地加速相互推動，制造一個多層的中心渦流，多層的中心渦流流經一個膨脹階段和穩(wěn)定階段，其長度通過一個假定的自然旋渦長度來確定；并將一個穩(wěn)定的、集中質量和/或集中速度的渦流導入主流中實現(xiàn)能量的利用。
3．按權利要求1或2的方法，其特征在于，在一個旋轉軸上多個包絡渦構成能量的集中階段。
4．高環(huán)量的渦流的產生和能量利用的裝置，具有垂直于入流通過一個主流設置的入流橫截面和具有至少產生兩個旋渦的構件，其特征在于在一個底面(1)上與一個旋轉軸同心設置了一個空心圓柱體(2)以及一個包圍該空心圓柱體(2)的包絡渦發(fā)生器(3)，該空心圓柱體(2)具有一個入流孔(4)和一個最好為截錐形的遮蓋面(5)，而該包絡旋渦發(fā)生器(3)則由一個一側開孔的帶有一個圓周表面(10)的，且其橫截面(8)為螺旋形的圓柱體(7)構成，該圓柱體(7)突出布置在該空心圓柱體(2)外面，在空心圓柱體(2)和包絡旋渦發(fā)生器(3)之間構成一個流動空間(9)，包絡旋渦發(fā)生器(3)的入流橫截面(12)在圓周表面(10)上被一個孔口(11)中斷，該孔口(11)后面向里空心圓柱體(2)在旋轉方向內與垂直的入流線成一定的角度最好成30度的角度設置了一個入流孔(4)；空心圓柱體(2)的出流孔(6)最多設置在包絡旋渦發(fā)生器(3)的一半高度上。
5．按權利要求3的裝置，其特征在于，在一個或多個平面的同心圓上設置了多個具有空心圓柱體(2)和包絡旋渦發(fā)生器(3)的底面(1)。
6．按權利要求3或4的裝置，其特征在于，在一個或多個平面內的多個底面(1)具有產生渦流的構件(2,3)作為一個旋轉對稱的單元可旋轉地設置。
7．高環(huán)量的渦流的發(fā)生和能量利用的裝置，具有垂直于流經一個主流的入流設置的入流橫截面和具有至少產生兩個旋渦的構件，其特征在于在一個底面(21)上與一根旋轉軸同心地設置了一個空心圓柱體(22)，該空心圓柱體朝一個入流橫截面(31)和一個遮蓋面(26)具有一個螺旋形敞口，在遮蓋面(26)內，在空心圓柱體(22)的基圓上設置了一個帶有一個中心出流孔(27)的噴嘴錐體(32)，在空心圓柱體(22)中通過噴嘴錐體(27；25)構成一個膨脹室(33)并通過噴嘴錐體(25；24；23)構成渦流室；通流孔(13；29；28)朝出流孔(27)按流體力學確定的比例擴大。
8．按權利要求7的裝置，其特征在于，在一個平面和/或多個平面的同心圓上設置了許多具有空心圓柱體(22)的底面(21)。
9．按權利要求7或8的裝置，其特征在于，在一個或多個平面內具有空心圓柱體(22)的許多底面(21)作為一個可旋轉設置的旋轉對稱單元構成一個垂直軸轉子。
10．按權利要求7或8的裝置，其特征在于，在一個或多個平面內具有空心圓柱體(22)的許多底面(21)作為一個可旋轉設置的旋轉對稱單元構成一個水平軸轉子。
11．按權利要求1或2的方法，其特征在于，一個或多個旋轉軸相對于流體作相對運動。
全文摘要
本發(fā)明涉及由平行主流來產生和利用高集中質量和/或高集中速度以及高環(huán)量的渦流的一種方法和兩個裝置。根據(jù)本發(fā)明,在空心圓柱體中在一個共同的旋轉軸上產生至少兩個不同的旋流,以及相互推動的許多勢渦并加以集中。其結果是,形成穩(wěn)定的集中質量和/或集中速度的渦流,這種渦流與渦流的簡單環(huán)流比較起來具有較高的、能量可利用的集中能量。
文檔編號F03D3/04GK1217767SQ96196454
公開日1999年5月26日 申請日期1996年7月5日 優(yōu)先權日1995年7月6日
發(fā)明者朱根·沙茨 申請人:奧拉夫·沙茨, 伯恩哈德·謝爾夫, 伯恩德·特納, 朱根·沙茨, 克勞斯－朱根·舒爾茨, 雷納·赫拉德茨基