專利名稱：具有用于增加流量的翼狀擴散體的水下渦輪機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請涉及用于增加水下流體渦輪機上的壓力差以增加每單位面積的功率產(chǎn)額的流體動力裝置的使用。本申請公開了一種裝入多維護罩的水下流體渦輪機，用于增加用于產(chǎn)生電力的渦輪機上的壓力差，因而增強渦輪機效率并降低產(chǎn)生期望量的功率所要求的渦輪直徑。
背景技術(shù)：
使水加速通過渦輪機的護罩的使用是公知的且是實際的方法。在公海中，類似于陸地上的風力渦輪機，海流的開發(fā)已經(jīng)由大型葉片式渦輪機占優(yōu)勢。事實上，在陸地上，能夠使葉片直徑更小的擴散體增強型風力機(DAWT)已經(jīng)熟知多年了，因為它們在葉片上產(chǎn)生更大的壓力差，因此葉片速度增加，這又有利于低成本和高效率的發(fā)電機。由于功率與速度的三次冪成比例，小直徑快轉(zhuǎn)葉片可以產(chǎn)生與大直徑慢轉(zhuǎn)葉片一樣多的功率。對于水下渦輪機，本文中使用的定義包括整流罩-殼體的前部，吸引并隨后將流動集中在渦輪機的前面。擴散體-殼體后部，使流動擴張，以在渦輪機后面產(chǎn)生吸力。輸送管-殼體中間芯體，渦輪機設(shè)置在其中。護罩-圍繞渦輪機的包括整流罩、輸送管和擴散體的整個結(jié)構(gòu)。輪葉或葉片-包括擴散體的一部分的中空突出結(jié)構(gòu)，用于引導內(nèi)部和外部流動， 其可以具有或不具有軸向或徑向的螺距(螺旋)。在19世紀70年代后期的能源危機期間，發(fā)展了大量的風車結(jié)構(gòu)和專利，包括用于帶護罩的風車的結(jié)構(gòu)和專利。例如，美國專利4，075，500描述了擴散體增強型風力機發(fā)電系統(tǒng)，其中擴散體幫助將風能集中在葉片上，并且由于在渦輪機葉片下游的擴散體的直徑增加，它增加了葉片上的壓力差，這增加了葉片的速度，并且因此增加了可以產(chǎn)生的功率的量。該專利描述了用于調(diào)節(jié)渦輪機速度的伺服可控翼型定子進口葉片，其在那時是需要的， 因為發(fā)電機期望以更穩(wěn)定的速度運轉(zhuǎn)。目前，先進的固態(tài)電子學可以克服這個問題。護罩的使用要求護罩內(nèi)的流動不應(yīng)當分離，否則壓力差增強效應(yīng)將失去。在美國專利4，075，500中，孔34允許外部空氣流入并進入渦輪機葉片下游的護罩，其激勵邊緣層并避免它沿著擴散體的內(nèi)壁分離。美國專利4，132，499示出了更復雜的內(nèi)部通道，其用于收集并分配來自輸送管外面的空氣并將它傳遞至輸送管的內(nèi)部，以實現(xiàn)類似的效果。美國專利4，422，820示出了擾流槽，其也收集并分配來自輸送管外面的空氣并將它傳遞至輸送管的內(nèi)部，以激勵邊緣層。但是，這些孔的潛在問題是制造成本增加，同時產(chǎn)生污垢和功能喪失可能性隨著時間增加。美國專利4，132，499還示出了位于擴散體下游側(cè)的輔助圓形葉片，其幫助在具有整體長度較短的擴散體系統(tǒng)的渦輪機上產(chǎn)生更大的壓力降。在美國專利5，324，985中的接下來的步驟中采取了輔助葉片概念，其中它被制成角度可控的多段。輸送管的所述段之間的狹槽用外部高速空氣幫助激勵邊緣層。美國專利7，018，166采用位于風輪機下游的自由轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子也更主動地控制流動，以減少分離。美國專利7，094，018采用弓形擴散體，以試圖也更好地控制流動。對于在液體中運行的渦輪機可以說是一樣的，例如參見F. L. Ponta、P. Μ. Jacovkis 白勺論 JC “ Marine-current power generation bydiffuser-augmented floating hydro-turbines" ,Renewable Energy 33 (2008)，第665-673頁，其示出了公海中的沖壓式水輪機是比大型旋轉(zhuǎn)葉片更期望的，特別是關(guān)于大型野生動植物的保護。然而，基于海洋的渦輪機通常以諸如塔門之類的結(jié)構(gòu)連接至海底，水面處的波動力會是最重要的。本發(fā)明與之前的沖壓式結(jié)構(gòu)不同之處在于擴散體上的后部葉片(當設(shè)計為旋轉(zhuǎn)時通常是螺旋狀的)。后部葉片可以是螺旋狀的并安裝為使得它們由外來流體流自由旋轉(zhuǎn)， 當流體被吸入通過整流罩經(jīng)過內(nèi)部渦輪機葉片時，這引起流體相對于渦輪機反向旋轉(zhuǎn)，因為明顯地增強了流速增大。葉片還可以以靜止方式安裝至擴散體，并且仍然使渦輪機產(chǎn)生的流動反向旋轉(zhuǎn)，增加它的效率。公開的其它新穎的流體動力裝置進一步增加了效率。此外，該設(shè)計使得本發(fā)明能夠應(yīng)用于水下范圍，并像風箏一樣流動。因此，能夠以較低的成本配置它，因為它不需要用于支撐的塔架或塔門。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的優(yōu)選目標是提供新的、改進的護罩，具有前部整流罩、中間輸送管段和后部擴散體，漩渦引起葉片增強經(jīng)過渦輪機葉片的流體流，同時與目前的結(jié)構(gòu)相比，降低護罩的整體尺寸。本發(fā)明的另一個優(yōu)選目標是用將進一步增強渦輪機功率的流動控制和混合特征增強護罩的流體動力學性能。本發(fā)明的另一個優(yōu)選目標是提供一種旋轉(zhuǎn)擴散體，其能夠從自由流中獲得比靜止擴散體多的能量，并將所述能量轉(zhuǎn)化成增加的渦輪機功率。本發(fā)明的另一個優(yōu)選目標是提供一種具有開口端中空螺旋形葉片的旋轉(zhuǎn)擴散體， 護罩外部的流動使擴散體旋轉(zhuǎn)，螺旋形葉片的中空內(nèi)部因此用作泵，以進一步增加經(jīng)過渦輪機葉片的流動。本發(fā)明的另一個優(yōu)選目標是設(shè)計單元，使得它能夠像風箏一樣流動，以使它能夠沿流動方向的軸向自然地排成行，并且與固定設(shè)施相比，降低其基礎(chǔ)設(shè)施和運行成本。本發(fā)明的另一個優(yōu)選目標是采用加壓水動力從這種渦輪機的海上形式獲得功率， 隨后將功率存儲在真空或壓力容器中，以提供更穩(wěn)定的功率輸出。本發(fā)明的另一個優(yōu)選目標是使得可替換的整流罩和擴散體容易互換，以便對于給定的流速可以獲得期望的阻力水平和優(yōu)化性能。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種旋轉(zhuǎn)擴散體，用于通過沖壓式渦輪機的流動加速，該沖壓式渦輪機通過輸送管外面的流體流由作用在擴散體的中空葉片上的流體動力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，所述葉片以與流動方向成一定的迎角從輸送管伸出，作為它的內(nèi)表面和外表面的流動延續(xù)，允許來自輸送管內(nèi)部的流體流準備進入它們，從旋轉(zhuǎn)擴散體開始，流體在開口后緣處流出之前由擴散體的旋轉(zhuǎn)離心加速，在所述后緣處，所述流體再次由通過所述流體由后緣運動產(chǎn)生的文丘里效應(yīng)吸引加速。本發(fā)明的另一方面提供了一種靜止擴散體，用于加速通過渦輪機輸送管的流動，具有盤旋結(jié)構(gòu)的徑向陣列，所述盤旋結(jié)構(gòu)沿徑向方向伸出，以在保持層流的限制范圍之內(nèi)擴展內(nèi)部流，盤旋結(jié)構(gòu)被偏斜，以產(chǎn)生與由渦輪機產(chǎn)生的漩渦相反的漩渦。本發(fā)明的另一方面提供了一種盤旋狀或翼式靜止(靜態(tài))或旋轉(zhuǎn)擴散體，用于加速通過輸送管的流體流，其中擴散體盤旋結(jié)構(gòu)的后緣具有輔助盤旋結(jié)構(gòu)，所述輔助盤旋結(jié)構(gòu)能夠前后以及上下調(diào)節(jié)，隨后向回與擴散體表面合成一體。優(yōu)選地，輔助盤旋結(jié)構(gòu)能夠具有第三級盤旋結(jié)構(gòu)，或進一步退回到更加小的盤旋結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)足夠大。優(yōu)選地，所述盤旋結(jié)構(gòu)由輔助徑向翼限制，所述輔助徑向翼在很大程度上順從后緣的伸展，這種翼具有以與主流體流的方向成負的迎角運轉(zhuǎn)的反向機翼形式。本發(fā)明的另一方面提供了結(jié)節(jié)狀凸起，其推進和阻止渦輪機殼體輸送管的前緣， 以減壓其中所述前緣接近垂直于流動方向的高壓區(qū)域。本發(fā)明的另一方面提供了位于擴散體結(jié)構(gòu)的表面中的盤旋結(jié)構(gòu)，其具有在峭壁之后的平緩上升坡道，該坡道以與主流體流成小的角度設(shè)置，并且有利地沿流動方向加深，這引起力量增強的渦流的產(chǎn)生，因為它們在它們加深時拽動更多的流體。本發(fā)明的另一方面提供了一種浸入式渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括一個或多個渦輪機單元，每個渦輪機單元設(shè)計為依附于繩子漂浮，使得它們在主流體流中自然地排成行，并且通過使用與流速成比例變化的浮力和流體抬升力維持它們的升高。優(yōu)選地，多個單元串聯(lián)連接在一起，使得能夠由單個錨定點保持垂直設(shè)置的堆。本發(fā)明的另一方面提供了一種渦輪機發(fā)電設(shè)備，包括(a)前輸送管部；(b)流體流加速后部多葉片式擴散體；和(c)從通過輸送管的流體流獲得功率的裝置，其中所述裝置是能漂浮的。優(yōu)選地，所述設(shè)備還包括下述特征中的任一個或多個(d)用于將該設(shè)備約束至海床上的錨定點的線；(e)用于將產(chǎn)生的功率傳輸至錨定點的電纜；(f)龍骨；(g)由渦輪機葉片驅(qū)動的中間發(fā)電機；(h)由渦輪機葉片驅(qū)動的中間流體泵；(i)將發(fā)電機或泵錨定至外部支撐結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)；(j)位于外部支撐結(jié)構(gòu)上的錨定連接點；(k)錨定系統(tǒng)；和 /或(1)將加壓流體輸送至反滲透過濾系統(tǒng)的流體流管線。在優(yōu)選實施方式中，錨定系統(tǒng)連接至海底，并且發(fā)電設(shè)備具有輕微的正浮力。在可替換實施方式中，錨定系統(tǒng)連接至水面艦船或結(jié)構(gòu)，并且發(fā)電設(shè)備輕微的負浮力。在另一種實施方式中，該設(shè)備直接連接至諸如船之類的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一方面提供了一種如在此描述的渦輪機發(fā)電設(shè)備的陣列，該陣列放置在海底，以形成分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)。優(yōu)選地，該陣列錨定至海底，以形成海水淡化工廠。本發(fā)明的另一方面提供了一種海上渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括如在此描述的多個浸入式渦輪機發(fā)電設(shè)備，其中每個發(fā)電設(shè)備具有它自己的通過壓力管線連接至普通氣體填充的蓄壓器的可變?nèi)萘恳簤罕茫⑶移渲行顗浩骶哂幸簤厚R達，該液壓馬達在其釋放加壓水時以恒定速率或根據(jù)需要驅(qū)動發(fā)電機。本發(fā)明的另一方面提供了一種海上渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括如在此描述的多個浸入式渦輪機發(fā)電設(shè)備，每個發(fā)電設(shè)備具有它自己的通過壓力管線連接至壓力容器的可變?nèi)萘恳簤罕茫搲毫θ萜饔伤畛涞軌蚍纯顾a(chǎn)生的接近真空排出，壓力容器具有液壓馬達， 該液壓馬達在其將水返回到排出的空間中時以恒定速率或根據(jù)需要驅(qū)動發(fā)電機。本發(fā)明的另一方面提供了一種浸入式渦輪機脫鹽系統(tǒng)，包括如在此描述的多個浸入式渦輪機發(fā)電設(shè)備，每個發(fā)電設(shè)備具有它自己的通過壓力管線連接至公共反滲透過濾系統(tǒng)的可變?nèi)萘恳簤罕?。本發(fā)明的另一方面提供了一種模塊化可互換整流罩或擴散體，其應(yīng)用于如可以由船主采用的小型海上發(fā)電機系統(tǒng)，所述船主可能期望將它用于停泊時的低速水流和航行中的較高的流速，或者用在甲板上用于風力發(fā)電。本發(fā)明的另一方面提供了一種模塊化可更換功率艙，用于這種海上發(fā)電機，其中多個功率艙選擇能夠產(chǎn)生電力、用于脫鹽的加壓流體、或用于空氣調(diào)節(jié)的壓縮氣體。本發(fā)明的另一方面提供了一種浸入式渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括(a)外部支撐結(jié)構(gòu)； (b)支撐結(jié)構(gòu)的流體流增強前部擴散體部；(c)支撐結(jié)構(gòu)的流體流增強后部多葉片部；(d) 渦輪機葉片；(e)由渦輪機葉片驅(qū)動的中間發(fā)電機；(f)將中間發(fā)電機錨定至外部支撐結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)；和(g)位于外部支撐結(jié)構(gòu)上的錨定連接點。優(yōu)選地，該發(fā)電系統(tǒng)還包括下述特征中的一個或多個錨定系統(tǒng)；繩索系統(tǒng)，連接至所述渦輪機發(fā)電系統(tǒng)和所述海底錨定系統(tǒng)；將產(chǎn)生的功率傳輸至所述錨定系統(tǒng)的電纜。 任選地，該發(fā)電系統(tǒng)可以包括龍骨。在優(yōu)選實施方式中，該錨定系統(tǒng)連接至海底，并且發(fā)電設(shè)備具有輕微的正浮力。在可替換的優(yōu)選實施方式中，錨定系統(tǒng)連接至水面艦船或結(jié)構(gòu)，并且發(fā)電設(shè)備輕微的負浮力。在另一種優(yōu)選實施方式中，該設(shè)備直接連接至諸如船之類的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一方面提供了一種發(fā)電系統(tǒng)的陣列，其放置在海底，以形成分布式發(fā)電網(wǎng)本發(fā)明的另一方面提供了一種浸入式渦輪機脫鹽系統(tǒng)，包括(a)外部支撐結(jié)構(gòu)； (b)支撐結(jié)構(gòu)的流體流增強前部擴散體部；(c)支撐結(jié)構(gòu)的流體流增強后部多葉片部；(d) 渦輪機葉片；(e)由渦輪機葉片驅(qū)動的中間流體泵；(f)將所述中間泵錨定至外部支撐結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)；(g)位于外部支撐結(jié)構(gòu)上的錨定連接點；(h)錨定系統(tǒng)；和(i)將加壓水傳輸至反滲透過濾系統(tǒng)的流體流管線。浸入式渦輪機脫鹽系統(tǒng)的陣列可以錨定至海底，以形成海水淡化工廠。本發(fā)明的另一方面提供了一種旋轉(zhuǎn)擴散體，用于通過沖壓式渦輪機的流動加速， 該沖壓式渦輪機通過輸送管外面的流體流由作用在擴散體的中空葉片上的流體動力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選地，所述葉片以與流動方向成一定的迎角從輸送管伸出，作為它的內(nèi)表面和外表面的流動延續(xù)，允許來自輸送管內(nèi)部的流體流準備進入它們，從旋轉(zhuǎn)擴散體開始，流體在開口后緣處流出之前由擴散體的旋轉(zhuǎn)離心加速，在所述后緣處，所述流體再次由通過所述流體由后緣運動產(chǎn)生的文丘里效應(yīng)吸引加速。本發(fā)明的另一方面提供了一種加速通過渦輪機輸送管的流動的靜止擴散體，具有以徑向螺旋伸出的盤旋結(jié)構(gòu)的徑向陣列。優(yōu)選地，這種螺旋在概念上順從由渦輪機產(chǎn)生的漩渦，并在保持層流的限制范圍之內(nèi)擴張所述流動。優(yōu)選地，盤旋結(jié)構(gòu)還前后調(diào)節(jié)，使得它們在盤旋結(jié)構(gòu)中其中流體被偏轉(zhuǎn)最少的凹部中是短的，在其中流體被偏轉(zhuǎn)的量最大的頂點處是長的。優(yōu)選地，盤旋結(jié)構(gòu)還被偏向，使得螺旋狀盤旋結(jié)構(gòu)的上表面比內(nèi)表面偏轉(zhuǎn)的流動多，以產(chǎn)生與由渦輪機產(chǎn)生的漩渦相反的漩渦。


結(jié)合附圖可以最佳地理解本發(fā)明，在附圖中圖1為系統(tǒng)的等距視圖2為具有附加的轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定龍骨的系統(tǒng)的等距視圖；圖3為本發(fā)明另一實施方式的等距視圖，示出了具有位于表面上的用于增強流動控制的肋部和凸起的實施方式；圖如為圖3中的系統(tǒng)的后視圖。圖4b為圖3中的系統(tǒng)的后部等距視圖。圖5為本發(fā)明的為固定式擴散體具體優(yōu)化的實施方式的等距視圖，該固定式擴散體具有用于進一步增強流動控制的后部螺旋葉片以及位于護罩表面上的肋部和凸起。圖6為圖5中的系統(tǒng)的后部等距視圖。圖7示出了具有附加傾斜擴散體的本發(fā)明。圖8示出了固定式擴散體的變形，其中擴散體分段向遠處螺旋。在附圖中，僅以舉例的方式圖示了本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，清楚地理解，說明書和附圖僅用于圖示和優(yōu)選設(shè)計的目的，且不是作為本發(fā)明的限定范圍的限制。
具體實施例方式總而言之，水下渦輪機發(fā)電機系統(tǒng)利用多維形狀的護罩聚積、引導和集中通過渦輪機發(fā)電機的流體。這增加了輸送管中的渦輪機轉(zhuǎn)子位于其中的部分中的流速，因而增加了來自所述流動的壓力差，根據(jù)這種壓力差獲得能量。任選地可以具有螺旋形葉片的后部擴散體對由渦輪機的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的漩渦產(chǎn)生反向漩渦。本發(fā)明的優(yōu)選實施方式包括具有后部螺旋形葉片的旋轉(zhuǎn)擴散體，其由流向整流罩外部的流體驅(qū)動。葉片引起旋轉(zhuǎn)，因為它們具有大厚度風板相對于自由流動以一定的迎角運轉(zhuǎn)的形狀。圍繞渦輪機的輸送管將流體平緩地引入后部螺旋形葉片的內(nèi)部腔室中。該流體中的一些被帶到四處，并通過由螺旋形葉片的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力向外加速，并且最終向后，因而吸出更多的流體，并降低渦輪機后面的輸送管中的壓力。葉片的后部敞開，以允許流體流出。當葉片的后緣速度高于內(nèi)部流速時，在后緣開口處將具有壓力降，其幫助將流體吸出葉片的中空區(qū)域，并再次降低渦輪機后面的壓力。流出葉片后部的流體移動得比葉片慢，因此它沿與葉片相同的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生漩渦。葉片本身產(chǎn)生與它們的旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦。這兩種漩渦相互作用，漩渦能量轉(zhuǎn)化為加速的流速，再次降低葉片內(nèi)腔中的壓力。這些效果由降低湍流并改善基于文丘里(Venturi)管的吸引效應(yīng)的盤旋部件增強盤旋結(jié)構(gòu)還可以被添加至葉片的后緣，以延伸它們的邊緣長度，因而增強它們通過促進內(nèi)部/外部混合，幫助激勵和排出內(nèi)部流體，以降低內(nèi)部葉片壓力來從葉片的內(nèi)部曳出流體的能力。這些盤旋結(jié)構(gòu)可以位于葉片表面的平面中，或者有利地以該平面成一定的角度， 使得它們前后以及上下調(diào)整。為了促進葉片后表面上的層流，該表面可以具有以大致平行于葉片的前緣的螺旋陣列從前向后流動的多個脊(ridges)。盤旋結(jié)構(gòu)以與自由流體流動成一定的角度擺放，并以下述方式被偏壓，即，使得流體流上斜坡(ramp)，到達峭壁(precipice)，在峭壁處由文丘里效應(yīng)引起的低壓使一些流動螺旋成漩渦，該漩渦隨后沿著加深槽行進，當它前進時由更多的曳出流體構(gòu)建強度，直到漩渦越過后緣。這種渦流具有激勵邊緣層以促進層流的效果，并且一旦到后緣之外，它們增強高能外部流與低能內(nèi)部流的混合。整流罩的前緣還可以具有小突或凸起。這些幫助降低否則將在表面垂直于流向的整流罩周圍運行的高壓區(qū)域。它們還產(chǎn)生表面渦流，這再次幫助流動沿著向下曲線進入低壓區(qū)域。當在緩流海上條件中運行時，表面效應(yīng)和形阻力(form drag)降低，使得葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠作出折中，以有利于較大表面積方案進行繪制。像增加葉片的縱橫比以改善它們的升起/拖曳性能且因此增加它們的旋轉(zhuǎn)速度一樣，可以迫使更多的流體在葉片內(nèi)加速，而不是能夠相對不受影響地流出中心軸線區(qū)域。 這通過延伸葉片的靠近保持轉(zhuǎn)子的錐形外殼的后緣實現(xiàn)?？梢栽O(shè)置其它的內(nèi)部流動通道， 以將渦輪機后面的軸流直接轉(zhuǎn)向徑向葉片中，僅讓該軸流在它已經(jīng)獲得一定的離心加速之后才用葉片后緣中的開口中流出。通過具有可替換的前部整流罩和后部擴散體，可以調(diào)節(jié)這種對假設(shè)流動條件的修整，前部整流罩和后部擴散體可以互換，以使得能夠具有優(yōu)選的性能特性。這種特征由于可以由船主采用而對于小型系統(tǒng)特別有利。大直徑后部旋轉(zhuǎn)螺旋形葉片擴散體由于在停泊區(qū)可用而將更加能夠從慢速水流中獲取功率。如果在以較高的巡航航速航行下或者在處于強流的停泊區(qū)中使用，則較小的低拖曳固定式擴散體將是足夠的。以一定的流速增強損失為代價，并且在獲得簡單性的情況下，擴散體可以為前部向外展開的整流罩的靜止制品(static artifact)的其它的部分。為了更好地利用文丘里效應(yīng)以吸引更多的流體通過渦輪機，擴散體由盤旋結(jié)構(gòu)分成段，以實現(xiàn)它的包含體積中的更多的部分。本發(fā)明因此包括將盤旋結(jié)構(gòu)與由渦輪機引起的內(nèi)部漩渦對齊，以投射長的螺旋形流徑，因此陡峭部分少，同時不增加擴散體的長度和直徑。以螺旋曲線向外延伸還導致它們?yōu)檩^小的外徑包圍的橫截面面積比它們簡單地徑向向外延伸時將具有橫截面面積大。有利的是，擴散體的后緣前后調(diào)整，使得在流動被偏轉(zhuǎn)最小量的地方擴散體較短，并且在流動被偏轉(zhuǎn)較大量的地方擴散體較長。這還用來最小化表面積，因此最小化表面摩擦。多維后緣盤旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯增加的后緣長度，以增強文丘里吸引。葉片被以有偏差地以流體動力學的方式設(shè)計，使得葉片表面中的一個更加垂直于流動，并變得明顯比其它的表面大。這種較大葉片表面隨后將流動偏轉(zhuǎn)成后向漩渦，該后向漩渦可以精確地使渦輪機產(chǎn)生的從擴散體內(nèi)部流出的漩渦反向。此外，螺旋形盤旋結(jié)構(gòu)可以具有多個脊，這些脊被偏向，以沿后面有峭壁的流動方向提供緩坡。這些首先引導流體， 但是隨后它們相對于流動呈現(xiàn)增加的角度時將產(chǎn)生渦流，這種渦流將改善后緣處的高能外部流與低能內(nèi)部流的混合(類似于旋轉(zhuǎn)擴散體概念的實施方式中采用的過程)。脊相對于葉片表面以一定的角度終止，產(chǎn)生另外的波紋，其調(diào)整到平行于葉片表面的程度，進一步增加了后緣長度，具有后續(xù)的流動混合益處。這些脊還將以與采用類似脊的蛤殼相同的方式使殼體變硬。整流罩的前緣可以具有結(jié)節(jié)狀凸起的特征，這使流動結(jié)束，以減小垂直于上、下整流罩表面之間的流動的高壓區(qū)域的尺寸。所產(chǎn)生的小的流動偏轉(zhuǎn)再次產(chǎn)生幫助在前緣后面的低壓區(qū)域中維持層流的渦流。雖然已經(jīng)為用在翼截面中而研究了小突起(tubercle)，但本發(fā)明教導了它們用于整流罩將流動引入輸送管的用途?？梢蕴砑油饨虞o助輪葉，其將捕獲更多的外部流，并在它經(jīng)過后緣時迫使它加速。
9增加的流速將增強文丘里吸引效應(yīng)。這種輪葉可以有利地沿著擴散體的后緣，以最大化通過輪葉和擴散體之間的間隙的流動加速。這種調(diào)節(jié)環(huán)形輪葉還可以以沿著其前緣的小突起為特征?？梢援a(chǎn)生電力，或者渦輪機可以驅(qū)動泵，以產(chǎn)生將非淡水(non-fresh water)泵送通過反滲透過濾系統(tǒng)以產(chǎn)生淡水所要求的60巴的壓力。這對于水運工具會是特別有用。在干燥氣候中還可以將系統(tǒng)的陣列放置在近海中，來自多個單元的水被泵送通過低成本管道到達中心海水淡化工廠。為了提供更經(jīng)濟的將產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)化成電力的方案，而不是為每個渦輪機提供單獨的發(fā)電機，渦輪機可以利用將流體推入儲能裝置的液壓馬達。能量存儲裝置隨后可以在由高壓管道系統(tǒng)連接的渦輪機的'場'共享。所述存儲裝置隨后可以包括以恒定工作循環(huán)驅(qū)動發(fā)電機的其它液壓馬達。通過這種措施，發(fā)電基礎(chǔ)設(shè)施可以享有更好的用途，具有后續(xù)的成本益處。此外，昂貴的發(fā)電設(shè)備在旋轉(zhuǎn)海水密封件之后不再有風險。液壓馬達可以屬于能夠具有可變排量以使轉(zhuǎn)矩與流速更好地匹配的類型。通過感測管線阻力(line drag)并采用它改變排量，以便在高阻力下成比例增加排量，可以自動實現(xiàn)這種調(diào)整。這種過程可以通過下述方式發(fā)生，即，將液壓缸引入固定管線的軸向彈性部分中，并采用液壓缸移位流體，以直接調(diào)整馬達的排量。這種存儲可以采用以內(nèi)部壓力保持氣體的容器的形式，流體被壓進該容器中，或者采用長頸瓶的形式，流體從該長頸瓶中排出，留下局部高真空。前一種形式要求容器能夠承受張力，因此不是理想地適合低成本混凝土。后一種形式具有其自己的處于壓縮的容器， 因此非常適合混凝土，但要求相對大的安裝深度，以便于足夠高的壓力差可管理地保持它緊湊。擴散體的某些特征利用海洋特性的設(shè)計演化來改善它的性能-像鯨須前緣一樣的小突起狀，其通過能夠在停轉(zhuǎn)之前管理更大的迎角而擴展控制。-像大型濾食動物的用于在它們張開的嘴后面的身體周圍保留層流的腹部一樣的產(chǎn)生脊的長渦流。-對后緣的較小的調(diào)整，類似于由海獅等采用的用于產(chǎn)生降低湍流的后緣渦流的調(diào)整。-蛤殼加強?，F(xiàn)在將參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式。圖1示出本發(fā)明的第一實施方式10，浸入式栓緊渦輪機發(fā)電系統(tǒng)。整流罩和輸送管11看起來如本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的那樣普通，但后部擴散體14具有輪葉(葉片)，如 14a，輪葉使它旋轉(zhuǎn)并加速通過輸送管的流動。增強流流過護罩中的中心，經(jīng)過渦輪機葉片 15，為了輸送管內(nèi)的流動，葉片15被優(yōu)化。為了最大化水下系統(tǒng)的可靠性，它們應(yīng)當是固定螺距的，但是如果需要最大的效率，特別是對于在水流變化的地方運轉(zhuǎn)的較大系統(tǒng)來說，它們可以制成為具有變化的螺距。渦輪機葉片使芯體12中的發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，芯體12由支柱13 固定至輸送管。支柱可以非常薄，像輪輻一樣，以最小地影響流動，或者它們可以為定子葉片形式，以進一步增強流動。擴散體14可以連接至輸送管，以能夠通過多種措施圍繞其軸線自由旋轉(zhuǎn)。在一種實施方式中，擴散體通過傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸承連接，該旋轉(zhuǎn)軸承可以屬于大直徑的，位于輸送管上，或者在中心，隨后由輪輻13將擴散體徑向保持在合適的位置?？梢圆捎幂嗇楆嚵校虼怂鼈兪呛唵蔚膲壕o/受壓構(gòu)件，但隨后對海藻纏繞存在更多的部件，因此僅一個或多個塔門型結(jié)構(gòu)可以用來將中心12保持到護罩。擴散體還可以具有將它吸向整流罩的磁鐵，拉緊構(gòu)件將它拉回限制在中心艙端部處的旋轉(zhuǎn)位置。在另一種實施方式中，擴散體具有圍繞其輪緣的通過旋轉(zhuǎn)拉緊構(gòu)件預加載的滾筒。系統(tǒng)由繩索16a和16b固定在水下合適的位置上，繩索16a和16b連接至護罩中間附近的耳部9 (僅示出了一個)，因此它將在水流中水平平滑地飄動。有利地，繩索位置將位于輸送管中間的正下面，其中護罩上的阻力將使它向后傾斜，阻止扶正浮力，并使它相對于水平流體流具有整體迎角。這將增加更多的升力，以抵消由水流向后向下載送的效應(yīng)。 繩索16a和16b會聚成單條線18，線18經(jīng)由旋轉(zhuǎn)接頭(未示出，但對浮子是標準的)連接至錨定到海底的底座19。所述錨定可以借助于剪切重量(shear weight)，或者可以根據(jù)海底條件，由樁或由傳統(tǒng)錨定方法連接。來自發(fā)電機的功率經(jīng)由由纜繩18固定的電纜17傳遞至基座19。來自多個這種系統(tǒng)10的功率的收集可以借助于海底的極板網(wǎng)柵。發(fā)電機19可以為直流發(fā)電機，其中功率電子元件容納在轂或基座19中。水下直流功率使由海水的場效應(yīng)引起的損耗最小化，這種場效應(yīng)是強電的。用于這種條件的功率電子元件已經(jīng)被發(fā)展用于近海風輪機系統(tǒng)和常規(guī)水下渦輪機，并且可以應(yīng)用在這里。整流罩和輸送管11以及具有后部螺旋形葉片Ha的擴散體14必須彼此聯(lián)合進行設(shè)計，并且最后采用計算流體動力學分析軟件來形成用于所述尺寸的系統(tǒng)以及用于將遇到的流動的葉片的優(yōu)化形狀和數(shù)目。在本文中示出了 7個后部螺旋形葉片，但更多個小的葉片是可以預料的。圖2示出了類似的系統(tǒng)20，增加了龍骨(keel) 21，龍骨21幫助將質(zhì)量中心移動到浮力中心的遠下方，以增強穩(wěn)定性，并且如在帆船中一樣，龍骨本身還幫助動態(tài)地穩(wěn)定系統(tǒng)的搖擺，并幫助系統(tǒng)在水流中直線漂移。圖3、如和4b示出了本發(fā)明的另一種實施方式30，在葉片1 上增加了肋部34和凸起35a，用于進一步增強流動控制。注意到葉片為薄的結(jié)構(gòu)，以便存在內(nèi)部空間36，該內(nèi)部空間36幫助產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動作，這種旋轉(zhuǎn)動作有效地將水泵送通過整流罩和輸送管31的內(nèi)部，因此可以由葉片35從水流中獲得更大的功率。此外，整流罩和輸送管31的前緣上的凸起3 進一步增加了流動性能，如由鯨上的小結(jié)節(jié)所啟發(fā)的那樣。這些"結(jié)節(jié)"(凸塊) 可以放置在整流罩和輸送管31的前緣上，可以降低牽引阻力，并幫助整流罩(擴散體)邊緣上的流動吸入。作為來自自然界的實例，參見www. whalepower. com,并且在于2006年3 月23日公開的美國在審專利公開號US2006/0060721中也相對于描述了機翼而不是相對于在此討論的整流罩描述了。在上述圖和實施方式中，擴散體通常旋轉(zhuǎn)，但可以固定至輸送管。圖5和6示出了實施方式40，其具體設(shè)計為非旋轉(zhuǎn)擴散體類型的。基座19如之前那樣錨定在海底，連接至錨定翼49的繩索46a和46b經(jīng)由線48將系統(tǒng)40固定至基座19。結(jié)節(jié)7 幫助增大整流罩中的流動。流動進入整流罩和輸送管41，并流經(jīng)渦輪機葉片45，使它們旋轉(zhuǎn)和產(chǎn)生功率。由渦輪機在由支柱43固定至輸送管41的中心結(jié)構(gòu)42中產(chǎn)生的功率經(jīng)由電纜47傳遞。 后部擴散體段44具有固定葉片，如44a，葉片4 具有用于進一步增強流動的脊74和凸塊75a。圖7示出了圖5的實施方式，具有連接至葉片4 末端的附加小翼50。這種小翼進一步增強流動，雖然在水下環(huán)境中，它可能需要周期地清洗漂浮物。圖8示出了固定式擴散體的前述實施方式的變形。渦輪機61在具有擴散體分段 (如64)的輸送管60中運轉(zhuǎn)，擴散體分段64沿反向漩渦方向四周卷曲。前翼的后緣覆蓋下一個翼的前緣，以產(chǎn)生通過間隙的高能流動，因此激勵輸送管內(nèi)的邊緣層，以維持層流。在該實施方式中，具有錐形脊，所述錐形脊從所述翼上引出并在它們沿四周彎曲時加深，以連接后緣。這些脊相對于外部流成一定的角度，以在所述流動在所述邊緣上起作用時引起渦流的形成。這里渦流進一步幫助維持層流。本發(fā)明的其它修改對本領(lǐng)域技術(shù)人員也將是想得到的，并且認為所有這種修改落入本發(fā)明的如由隨附權(quán)利要求限定的精神和范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)擴散體，用于通過沖壓式渦輪機的流動加速，該沖壓式渦輪機通過輸送管外面的流體流由作用在擴散體的中空葉片上的流體動力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，所述葉片以與流動方向成一定的迎角從輸送管伸出，作為它的內(nèi)表面和外表面的流動延續(xù)，允許來自輸送管內(nèi)部的流體流準備進入它們，從旋轉(zhuǎn)擴散體開始，流體在開口后緣處流出之前由擴散體的旋轉(zhuǎn)離心加速，在所述后緣處，所述流體由通過所述流體由后緣運動引起的文丘里效應(yīng)吸引被再次加速。
2.一種靜止擴散體，用于加速通過渦輪機輸送管的流動，具有盤旋結(jié)構(gòu)的徑向陣列，所述盤旋結(jié)構(gòu)沿徑向方向伸出，以在保持層流的限制范圍之內(nèi)擴展內(nèi)部流，盤旋結(jié)構(gòu)被偏斜， 以產(chǎn)生與由渦輪機產(chǎn)生的漩渦相反的漩渦。
3.一種盤旋狀或有翼式靜止或旋轉(zhuǎn)擴散體，用于加速通過輸送管的流體流，其中擴散體盤旋結(jié)構(gòu)的后緣具有輔助盤旋結(jié)構(gòu)，所述輔助盤旋結(jié)構(gòu)能夠前后以及上下調(diào)節(jié)，隨后向回與擴散體表面合成一體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴散體，其中這種輔助盤旋結(jié)構(gòu)能夠具有第三級盤旋結(jié)構(gòu)， 或進一步退回到更加小的盤旋結(jié)構(gòu)，其中所述結(jié)構(gòu)足夠大。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的盤旋狀靜止或旋轉(zhuǎn)擴散體，其中所述盤旋結(jié)構(gòu)由輔助徑向翼限制，所述輔助徑向翼在很大程度上順從后緣的伸展，這種翼具有以與主流體流的方向成負的迎角運轉(zhuǎn)的反向機翼形式。
6.結(jié)節(jié)狀凸起，推進和阻止渦輪機殼體輸送管的前緣，以減壓其中所述前緣接近垂直于流動方向的高壓區(qū)域。
7.擴散體結(jié)構(gòu)的表面中的盤旋結(jié)構(gòu)，具有在峭壁之后的平緩上升坡道，該坡道以與主流體流成小的角度設(shè)置，并且有利地沿流動方向加深，這引起力量增強的渦流的產(chǎn)生，因為它們在它們加深時拽動更多的流體。
8.一種浸入式渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括一個或多個渦輪機單元，每個渦輪機單元設(shè)計為依附于繩子漂浮，使得它們在主流體流中自然地排成行，并且通過使用與流速成比例變化的浮力和流體抬升力維持它們的升高。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中多個單元串聯(lián)連接在一起，使得能夠由單個錨定點保持垂直設(shè)置的堆。
10.一種渦輪機發(fā)電設(shè)備，包括a.前輸送管部；b.流體流加速后部多葉片式擴散體；和c.從通過輸送管的流體流獲得功率的裝置，其中所述裝置是能漂浮的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，還包括下述特征中的任一個或多個a.用于將該設(shè)備約束至海床上的錨定點的線；b.用于將產(chǎn)生的功率傳輸至錨定點的電纜；c.龍骨；d.由渦輪機葉片驅(qū)動的中間發(fā)電機；e.由渦輪機葉片驅(qū)動的中間流體泵；f.將發(fā)電機或泵錨定至外部支撐結(jié)構(gòu)的支撐結(jié)構(gòu)；g.位于外部支撐結(jié)構(gòu)上的錨定連接點；h.錨定系統(tǒng)；和/或i.將加壓流體輸送至反滲透過濾系統(tǒng)的流體流管線。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中錨定系統(tǒng)連接至海底，并且發(fā)電設(shè)備具有輕微的正浮力。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，其中錨定系統(tǒng)連接至水面艦船或結(jié)構(gòu)，并且發(fā)電設(shè)備輕微的負浮力。
14.根據(jù)權(quán)利要求10或11所述的設(shè)備，該設(shè)備直接連接至諸如船之類的結(jié)構(gòu)。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備的陣列，該陣列放置在海底上，以形成分布式發(fā)電網(wǎng)絡(luò)。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備的陣列，該陣列錨定至海底，以形成海水淡化工
17.—種海上渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求10-14中任一項所述的多個浸入式渦輪機發(fā)電設(shè)備，其中每個發(fā)電設(shè)備具有它自己的通過壓力管線連接至普通氣體填充的蓄壓器的可變?nèi)萘恳簤罕?，并且其中蓄壓器具有液壓馬達，該液壓馬達在其釋放加壓水時以恒定速率或根據(jù)需要驅(qū)動發(fā)電機。
18.—種海上渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求10-14中任一項所述的多個浸入式渦輪機發(fā)電設(shè)備，每個發(fā)電設(shè)備具有它自己的通過壓力管線連接至壓力容器的可變?nèi)萘恳簤罕茫搲毫θ萜饔伤畛涞軌蚍纯顾a(chǎn)生的接近真空排出，壓力容器具有液壓馬達，該液壓馬達在其將水返回到排出的空間中時以恒定速率或根據(jù)需要驅(qū)動發(fā)電機。
19.一種海上渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-14中任一項所述的多個浸入式渦輪機發(fā)電設(shè)備，每個發(fā)電設(shè)備具有它自己的通過壓力管線連接至公共反滲透過濾系統(tǒng)的可變?nèi)萘恳簤罕谩?br> 20.一種模塊化可互換整流罩或擴散體，應(yīng)用于如可以由船主采用的小型海上發(fā)電機系統(tǒng)，所述船主可能想要將它用于停泊時的低速水流和航行中的較高的流速，或者用在甲板上用于風力發(fā)電。
21.一種模塊化可更換功率艙，用于如權(quán)利要求20所述的海上發(fā)電機，其中多個功率艙選項能夠產(chǎn)生電力、用于脫鹽的加壓流體、或用于空氣調(diào)節(jié)的壓縮氣體。
全文摘要
一種浸入式流動增強護罩型渦輪機發(fā)電系統(tǒng)，具有前部流動壓縮段(11)和后部多個帶翼式擴散體段(14)，具有由渦輪機葉片(15)供給動力的支撐在中間的發(fā)電機(12)，渦輪機葉片(15)被優(yōu)化，以由通過前部整流罩和后部擴散體/葉片段產(chǎn)生的增強流動場驅(qū)動。
文檔編號F03B3/04GK102203408SQ200980140094
公開日2011年9月28日 申請日期2009年8月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年8月11日
發(fā)明者拉爾夫-彼得·貝利 申請人:拉爾夫-彼得·貝利