CN101595276A - 用于双向流的冲击式涡轮 - Google Patents

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Abstract

一种双向流冲击式涡轮装置(120)，其与双向反向流(F，F1，F2)一起使用，并且特别地与振动水柱发电机(110)一起使用。该涡轮装置(120)具有：转子(120)；和第一和第二组导向轮叶(140，142)，其位于转子(132)的相反的轴向侧上，用于将双向反向流(F，F1，F2)引导到/自转子叶片(132)。该导向轮叶(140，142)被设置在自转子叶片(136)更大的半径(Rv)和径向偏移(Ro)处。该涡轮装置还包括第一和第二环形导管(146)，其分别设置在第一和第二组导向轮叶(140，142)与转子(132)之间，用于将流体从导向轮叶(140，142)引导到转子叶片(136)。此外，并且在本发明的其它方面中，轮叶(144)和转子叶片(136)具有新颖的轮廓，其中：特别地，轮叶(144)具有轮廓，以在轮叶(144)的转向区(164)上，在轮叶(144)之间保持恒定的流动通路(Fp)；并且，该转子(132)的转子叶片(136)具有更高的转向角(2α)，并产生非轴向出口下游流。在另一方面，该涡轮(120)还可加入具有狭槽(190)和边界层鼓风装置的轮叶(144)，以为轮叶(144)上的反向流重新提供能量和改善轮叶(144)上的反向流。

Description

用于双向流的冲击式涡轮
技术领域
本发明涉及可与双向流一起操作的涡轮组装置，并且特别地涉及可与双向流一起使用的冲击式涡轮(impulse turbine)装置。更具体地说，并且优选地，它涉及一种用在振动水柱发电厂中的涡轮装置，以利用波动力发电。该涡轮装置可另外用于可再生发电领域，或甚至更通常地用在其它涡轮应用中。
背景技术
利用振动水柱的动力的发电机问世至少几十年了。通常，这些发电机包括很大的腔室，腔室包括：潜在水平面下的第一开口；和经涡轮排到大气的第二开口。随着波浪的波峰和波谷到达腔室，腔室内水柱的水平面周期地上升和下降，从而交替地强制腔内的空气经过涡轮排放入大气，并且将空气经过涡轮从大气抽取到腔室。这种发电机的特定问题在于：它们需要能够操作并利用经过涡轮装置的振动水柱泵取的相反双向空气流发电的涡轮装置。
可用在这种振动水柱发电机中的一种类型的涡轮装置是冲击式涡轮。冲击式涡轮的基本操作原理是：将被提取能量的流体流首先经过用于对流体流加速的一行喷嘴，以适合的角度进入转子，该转子然后从加速流提取动能。冲击式涡轮的重要特性在于：对转子的静态压力实质不发生变化(在反应类型涡轮中，随着流体经过转子平台，静态压力减小)。当经过冲击式涡轮的流体流为单向(传统情况)时，该涡轮平台将包括喷嘴行，其后是转子行。然而，如果期望将冲击式涡轮用在其中经过涡轮的流向周期地颠倒的应用中，例如在振动水柱发电设备中，则在转子的每侧上需要一行喷嘴，以在两个流向中产生正确的转子启动条件。在GB 1449740和GB 1500400中描述了这种装置的实例，特别地用在振动水柱发电装置中。
这种装置的问题在于：如果喷嘴几何形状固定，则在转子的下游侧上的叶片不会正确对准以接受转子排出流。典型地，产生的转子排出流为轴向的，没有圆周漩涡流或分量，不会提供经过转子的压力降低和良好的转子效率。邻近转子的喷嘴导向轮叶虽然与轴向方向成某一角度，以某一角度正确地引导反向流引导到转子上。对于各自相反流的流动未对准角度的量可能很大，这导致经过下游喷嘴很大压力损失，并且类似地涡轮的总效率很大地减小。典型地，与在振动水柱发电厂中使用的固定几何形状的冲击式涡轮装置相关的峰值稳定流效率的水平小于40％。
如果喷嘴导向轮叶或者设计使得轮叶的角度设置或轮叶本身的实际几何形状随着流方向改变，则可以克服这个问题。然而，这种解决方案的实际实现典型地导致需要复杂的机械装置，以实现所需的几何变化。当该装置用于大数目的循环与/或用在海洋环境中时，这接着会引起大量的可靠性和维护问题。对于这种可变几何形状涡轮类型，虽然已取得超过60％的峰值效率，但它们存在大量的维护和可靠性问题，所以未被采用。
相应地，振动水柱发电装置的发展并未促进冲击类型涡轮装置的使用。实际上，尽管冲击式涡轮具有一些优点，它们并未广泛使用或得到青睐，并且对于水压应用，它们仅用在专门的应用中，通常反应式涡轮装置较受青睐。特别地，振动水柱发电机的发展集中在使用Wells类型涡轮，它们可自校正和可操作和从反向双-向空气流发电。理论上，在稳定的流动条件下，采用固定几何形状，这种涡轮可以超过50％的显示峰值稳定流效率的高效率运行。然而，这种涡轮仅对于相对小量流范围高效运行，并且因此，仅可对于相对较小范围的波浪条件高效运行。另外，Wells涡轮通常以相对较高旋转速度和较小扭矩运行(与例如冲击式涡轮相比)，并具有相对较高的轴向负载，这些对于在振动水柱发电设备中使用是不期望的。
发明内容
因此，期望提供一种可选方法，并提供一种改进的冲击式涡轮装置，其可从例如由振动水柱泵取的反向双-向流操作，并且其提供解决当经冲击式涡轮的流周期地反向时、总效率低下的上述问题的解决方案。还期望地提供一种加入并使用改进涡轮的改进振动水柱发电机。本发明还可更通用，并且更期望地提供一种可与相反双-向流操作的改进与/或可选涡轮装置。
根据本发明，因此提供了如所附权利要求各种描述的双向流冲击式涡轮装置。还提供了一种振动水柱发电机，包括：如所附权利要求进一步描述的这种双向流冲击式涡轮装置。
根据本发明的第一方面的实施例，提供了一种双向流冲击式涡轮装置，与经过它的双向反向流一起使用。该涡轮装置具有轴线，并包括：转子；和第一和第二组导向轮叶，其围绕轴线圆周设置并位于转子的相反的轴向侧上，用于将双向反向流引导到转子叶片，和从转子叶片引导双向反向流。该转子可旋转地安装以围绕轴线旋转，并具有环绕在转子周围设置的多个转子叶片。该导向轮叶被设置在比转子叶片更大的半径处，使得：它们从转子叶片径向偏移，并且该涡轮装置还包括第一和第二环形导管，其分别设置在第一和第二组导向轮叶与转子之间，用于将流体从导向轮叶引导到转子叶片。
在这种装置中，在它到达下游导向轮叶之前，自转子的流动速度减小，使得：下游导向轮叶上的下游转子流关联的损失减小。
第一和第二环形导管的环形流动通路的高度可沿环形导管的长度恒定。可选地，第一和第二环形导管的环形流动通路的高度可以改变，并且特别地在邻近转子叶片的导管的端部减小。这种导管高度变化将优选地改变流到和自导向轮叶的角度，其然后被引导到转子叶片，从而减小转子与/或导向轮叶的所需转向角度。然后，这可减小在导向轮叶上的反向流期间，与导向轮叶上的自转子的下游流关联的损失。
在根据本发明的第二方面的实施例中，提供了一种双向流冲击式涡轮装置，与经过它的双向反向流一起使用。该涡轮装置具有轴线，并包括：转子；和第一和第二组导向轮叶，其围绕轴线圆周设置并位于转子的相反的轴向侧上，用于将双向反向流引导到和自转子叶片。该转子可旋转地安装以围绕轴线旋转，并具有环绕在转子周围设置的多个转子叶片。至少一个边界层流动控制出口被确定在第一和第二组导向轮叶组的至少一组的导向轮叶的导向轮叶表面中。该边界层流动控制出口被连接到流体源，以在使用中将来自流体源的流体引导到出口并经过导向轮叶表面。
这种边界层流动体控制出口、和从流体源到出口并经过导向轮叶表面的导向流体对导向轮叶上的流重新提供能量，并且因此，关联压力损失从而提高了涡轮装置的效率。
在根据本发明的第三方面的实施例中，提供了一种双向流冲击式涡轮装置，与经过它的双向反向流一起使用。该涡轮装置具有轴线，并包括：转子；和第一和第二组导向轮叶，其围绕轴线圆周设置并位于转子的相反的轴向侧上，用于将双向反向流引导到和自转子叶片。该转子可旋转地安装以围绕轴线旋转，并具有环绕在转子周围设置的多个转子叶片。该导向轮叶具有横断面轮廓，包括：与轴线和经过涡轮的轴向流大致平行定向的第一部；与轴线和经过涡轮的轴向流成某一角度定向的第二部；和在第一端和第二部之间设置的转向部。流通路被确定在相邻导向轮叶之间，并且在相邻导向轮叶的转向区之间确定的流通路的横断面面积大体上恒定。特别地，为了实现这个，导向轮叶由壁确定，并在相邻导向轮叶的转向区之间，相邻导向轮叶的壁之间的距离大体上恒定。
这种装置减小了与导向轮叶上的反向流关联的流损失，从而提高了涡轮装置的效率。
轮叶的转向区优选地具有由圆弧确定的拱形线；并且圆弧延伸经过轮叶的预定转向角度。
优选地，第二部的端部具有圆弧边缘，圆弧边缘的半径在轮叶的轴向弦的2％和10％之间，并且更优选地为4.5％。这还减小了与导向轮叶上的反向流关联的流损失，从而也提高了涡轮装置的效率。
在根据本发明的第四方面的实施例中，提供了一种双向流冲击式涡轮装置，与经过它的双向反向流一起使用。该涡轮装置具有轴线，并包括：转子；和第一和第二组导向轮叶，其围绕轴线圆周设置并位于转子的相反的轴向侧上，用于将双向反向流引导到和自转子叶片。该转子可旋转地安装以围绕轴线旋转，并具有环绕在转子周围设置的多个转子叶片。转子叶片具有转向角，其比转子叶片在涡轮的运行点产生轴向流所需的角度大3度到5度。此外，该转子叶片具有转向角，以在使用中从转子产生非轴向出口流。
这种转子叶片的转向角是非传统的，但减小了下游导向轮叶上的迎角，从而减小与导向轮叶上的反向流关联的损失，从而提高了涡轮装置的效率。
优选地，转子叶片的转向角度在70度和140度之间。
该转子叶片优选地围绕垂直于轴线并经过叶片的轴向中点的平面对称。
在根据本发明的另一方面，提供了包括如上所述的这种涡轮装置的振动水柱发电机。该振动水柱发电机包括外壳，其确定了由振动水柱周期地压缩和膨胀的流体腔室。该外壳具有出口，用于从外壳引导由振动水柱周期地压缩和膨胀的流体的双向反向流。该涡轮装置被连接到出口，并由自出口的流体的双向反向流驱动。发电机被连接到涡轮装置的转子并被该转子驱动。
这种具有这种涡轮装置的振动水柱发电机比使用其它涡轮装置的传统装置更高效。
通常，在这里描述的新颖的冲击式涡轮装置加入如下特性和方面，其可分开使用，或更优选地组合使用，特别地用在振动水柱发电机中，或更通常地用在需要与反向双向流一起操作的任何涡轮中。该装置的主要方面是：
A)环形偏移导管，其用于将导向轮叶设置在比转子叶片从旋转轴线更大的半径处；
B)适合在周期反向流中运作的喷嘴/引导轮叶设备；
C)使用通过边界层鼓风，引起经过喷嘴/导向轮叶表面的流体为边界层重新提供能量的装置；
D)使用例如在转子叶片上具有非传统的等于70度的高转向角的转子叶片设计，以典型地取得1.0的最后设备质量流动比条件的峰值效率。(注意：质量流量率被确定为进入涡轮的平均轴向速度与在中间跨度处转子速度之间的比率，并给予标号Φ)
附图说明
本发明将仅参考下图通过实例进行描述，其中：
图1是振动水柱发电装置的示意图；
图2是传统冲击式涡轮的部分外壳被去除以揭示叶片行的更详细视图，其与振动水柱发电装置一起使用并具有用在周期反向流中的固定导向轮叶；
图3是根据本发明的一个实施例的包括冲击式涡轮装置的振动水柱发电设备的示意图；
图4是冲击式涡轮装置的部分外壳被去除以揭示叶片行的更详细视图，其具有固定导向轮叶，并加入用于图3中所示的振动水柱发电设备中的环形偏移无轮叶导管；
图5A到5C是在分别穿过图4中所示的冲击式涡轮装置的横断面A-A，B-B和C-C上的横断面视图；
图6是图4中所示的冲击式涡轮装置的环形偏移无轮叶导管的更详细示意图；
图7是图4中所示的冲击式涡轮设备的导向轮叶的导向轮叶轮廓和间隙的更详细示意图；
图8是经过轮叶的一系列横断面轮廓，显示了可加入图4中所示的冲击式涡轮装置的导向轮叶轮廓的轮叶断面扭曲、倾斜和移动；
图9是冲击式涡轮装置的导向轮叶的示意透视图，显示了有利于其边界层鼓风(blowing)的其表面中的斜槽(angled slot)，其可加入图4中所示的冲击式涡轮装置的导向轮叶轮廓中；
图10是图4中所示的冲击式涡轮装置的转子叶片轮廓的示意横断面；
图11是经过类似于图3和4的冲击式涡轮装置的示意半横断面视图，但包括一种装置，以通过从驱动流动流取得流体，提供用于喷嘴/引导轮叶上的边界层鼓风的流体；
图12是经过类似于图11的冲击式涡轮装置的示意半横断面视图，但包括一种可选装置，以通过使用流动环面中的进口，提供用于喷嘴/引导轮叶上的边界层鼓风的流体；
图13是穿过类似于图11的冲击式涡轮装置的示意半横断面视图，但包括另一种可选装置，以利用升压压缩机，实现在喷嘴/引导轮叶上的边界层鼓风；和
图14是经过类似于图11的冲击式涡轮装置的示意半横断面视图，但包括：另一种可选装置，以利用自外部来源的开关控制流体供应，实现在喷嘴/引导轮叶上的边界层鼓风。
具体实施方式
参照图1，振动水柱发电机10包括：倒置容器外壳12，其确定了一个大型、典型地圆柱形腔室14，其包括：潜在水平面W下方的第一开16；和经空气导管19与大气通口的第二开口18；安装在空气导管19内的涡轮组件20；和出口21。随着波峰22和波谷24到达腔室14，该腔室14内的水柱的水平面W周期性地上升和下降，从而：交替地强制腔室14内的空气经由第二开口18，经过涡轮组件20到大气，并反向经过涡轮组件20将来自大气的空气抽入腔室14内。经过涡轮组件20的双向流F驱动和旋转经由轴连接到发电机的涡轮组件的转子，以产生电力。
图2显示了可用在这种振动水柱发电机10中的传统冲击类型涡轮组件20。该涡轮组件20包括：外部圆柱外壳26：和圆柱中心体28，其围绕涡轮组件20的中心轴线1共心地安装，并在外壳26内，其间确定环形导管30。该环形导管30一端连接到振动水柱发电机10的第一开口18，并且另一端连接到振动水柱发电机10的出口21，以引导双向流F，F1，F2通过涡轮组件20。冲击式涡轮转子组件32可旋转地安装在外部圆柱外壳26内，它包括中央毂34和圆周间隔并围绕毂34的圆周安装的多个转子叶片36。该毂34被连接和安装在将转子组件32连接到发电机的轴38上。该毂34的外周部与中心体28对准，以延续环形导管28，其中：转子叶片36设置在内部并与环形导管28对准。在转子组件32的一个轴向侧上，形成定子组件的第一组喷嘴导向轮叶40被安装和圆周地设置在环形导管28内，用于对从腔14沿第一方向F1流动的空气加速和引导到转子组件32的叶片36上。类似地，在转子组件32的另一相反的轴向侧上，形成定子组件的第二组喷嘴导向轮叶42被安装和圆周地设置在环形导管28内，用于对从出口21沿第二方向F2流动的空气进行加速和引导到转子组件32的叶片36上。第一和第二组喷嘴导向轮叶40，42的轮叶44优选地定向并成角度，以将各自双向空气流F，F1，F2引导到转子叶片36上，以不管空气流F，F1，F2的方向，沿相同的方向旋转转子组件32。该轮叶44可传统地包括简单弯曲片以转变空气流的方向，给予空气流F，F1，F2环绕漩涡分量，并提供流限制以对空气流F，F1，F2加速。可选地，轮叶44可具有更精细的翼型轮廓。喷嘴导向轮叶40，42和转子叶片36和环形导管28均轴向对准，并且从中心轴线1采用相同的半径，以提供与涡轮组件20的中心轴线1平行的大致轴向流通路。
这种冲击式涡轮组件是传统的，并且类似于例如GB 1449740中描述的。如先前提及，这种涡轮装置20存在效率低的问题。这主要因为：当空气沿第二相反方向F2流动时，并且导向轮叶变为出口导向轮叶时，所需和成角度操作为进口导向轮叶以沿第一方向F1将空气流引导到转子32上的喷嘴导向轮叶40未被正确对准，以从转子32接受空气流F2。结果，在转子32的下游产生很大的压力损失，导致较差的总体效率。
图3和4显示了本发明实施例的振动水柱发电机110和改进涡轮组件120。该振动水柱发电机110和涡轮组件120与图1和2中所示和上面描述的大体相似。因此，仅详细描述主要的差别，并且类似但增加100的标号将用于类似的对应部件。图3和4还显示了图1和2中未显示的发电机150。
如图3和4所示，第一和第二组喷嘴导向轮叶140，142被放置在比转子叶片136更大的半径Rv处。具体地，转子叶片136的中心点或中间范围/中间高度在半径Rr处，喷嘴导向轮叶144的中心点或中间范围在自中心轴线101的半径Rv处。在这个实施例中，第一和第二组喷嘴导向轮叶140，142均被设置在从中心轴线的相同径向距离Rv处。蜿蜒弯曲的环形偏移导管146连接在喷嘴导向轮叶140，142组和转子叶片136之间，以将空气流F，F1，F2引导到导向轮叶144和转子叶片136和从导向轮叶144和转子叶片136引导。在这个实施例中，该环形偏移导管146的流动通路高度Hd(垂直于导管壁)大致保持恒定，并等于转子叶片和喷嘴导向轮叶144径向高度Hr，Hv。作为这种半径变化的结果，环形流通路的总体横断面面积(垂直于轴向方向与/或流方向)从环形偏移导管146的喷嘴导向轮叶140，142端152，154到环形偏移导管146的转子端156减小。这意味着：在使用中，在穿过喷嘴导向轮叶144后，并当流F，F1，F2被径向向内引导向转子叶片136时，它被加速，并且其轴向和漩涡速度均增加。在流F，F1，F2已穿过转子132后，它由径向向外穿过并随着半径增加而增加环形流面积和通路的环形偏移导管146引导，并在到达下游导向轮叶前，被扩散和去除漩涡。该流F，F1，F2的轴向和环绕漩涡速度相应地减小。这意味着：相对较慢运动流体被引导在喷嘴导向轮叶142处，这减小了否则会出现的压力损失(其与速度平方成比例)的量，并且因此提高了效率。随着喷嘴导向轮叶叶片144和转子叶片136所处半径Rv，Rr的差Ro的增加，取得的效率提高也增加，直到益处被环形偏移导管146内的摩擦流损失增加超过。
图6中更详细地显示了环形偏移导管146之一的一部分。该环形偏移导管146由涡轮组件120的弯曲壁158和内部中心体128的外周壁160确定，确定了环形导管146和其间的流通路。该环形偏移导管146的流通路中心线162由余弦函数确定，其关于转子叶片径向高度Hr，通过确定导管146的长度L和所需径向偏移Ro依比例确定。利用确定的中心线，在这个实施例中的导管壁158，160之间的垂直距离优选地沿导管146长度保持恒定，并等于转子132和喷嘴导向轮叶140，142处的流环面的高度Hd。对于第一组喷嘴导向轮叶140、转子叶片132和第二组喷嘴导向轮叶142，该流环面的高度Hd相同。
由加入和使用转子132与喷嘴导向轮叶140，142之间的环形偏移导管带来的性能收益，与在保持附着流(避免随着流扩散而流分离)并使湿表面面积最小同时，可以取得的扩散量成比例。实际上，这些限制容易导致最大流通路面积比率，使得：在导向轮叶端部152，154处的导管146的流通路面积等于转子端部156处的导管146的流通路面积的4倍，更特别地等于3.5倍，并且更优选地等于2.5倍。这等于恒定高度Hd导管146的半径Rv，Rr中类似的变化，使得：轮叶中间跨度的半径等于转子Rr的中间跨度半径的4倍，更特别地等于3.5倍，并且更优选地等于2.5倍。这也等于并给出了典型的偏移距离Ro，和转子叶片136和喷嘴导向轮叶144的中间跨度点的半径Rr，Rv的差等于10倍或12倍的转子叶片高度Hr，并且对于具有典型毂到尖比率和高度的转子叶片136，更优选地为6倍的转子叶片高度Hr。
取得面积比率的期望变化所需的偏移导管146的轴向长度L由传统的扩散器设计数据确定。通常，随着扩大率的减小，扩散器损失减小，直到被湿润面积增加超过。理想地，期望使导管尽可能地短，同时避免如果导管146的膨胀率太陡峭和太弯曲会出现并会引起流损失的流分离。因此，实际中，根据寻求的扩散量，该长度L类似地在转子叶片高度Hr的4倍到12倍的范围内，并且优选地4倍到8倍。更具体地和优选地，以沿轴向方向的长度L典型地为5倍转子叶片高度Hr的导管146，实现扩散和面积变化。
优选地，环形偏移导管146如所示无轮叶，并且是径向向内/向外的简单引导流F，F1，F2的普通导管146。然而，在其中期望具有极紧凑装置的特定应用中，其中：半径Ro的变化沿极短的轴向长度L实现，可能需要在导管146中安装流控制设备，诸如例如涡流发生器，以防止流分离或高非均匀流的发展。
在这个实施例中，在转子132的任一侧上的偏移导管146是对称的，并且喷嘴导向轮叶140，142组具有相同半径Rv。然而，在其它实施例中，第二组喷嘴导向轮叶142和引向它们的偏移导管146可具有不同的半径和尺寸，由于从腔114的流F1比自大气进入腔114的空气的流F2更密集，使得：从涡轮组件和出口121出来的空气流F1的速度小于进入腔114的空气流的速度。因此，偏移导管146的偏移Ro和尺寸可改变，以将其考虑在内。
采用非线性方式，喷嘴导向轮叶140，142存在的阻塞量和因此与其关联的损失涉及方向改变量。这意味着：减小喷嘴导向轮叶144转向角度存在明显的益处。这可以通过使偏移导管146的高度Hd在导向轮叶端部152，154处比在转子端部156处更小实现。具体地，如果导管146的高度Hd对于半径Ro的任何变化恒定，流F，F1，F2的轴向速度分量和圆周漩涡速度分量成比例地改变，并且在喷嘴导向轮叶端部152，154和转子端处，流F，F1，F2关于轴向方向的角度保持恒定。然而，如果导管Hd的高度改变，流F，F1，F2的轴向和圆周分量不同地改变，并且流F，F1，F2对轴向方向的角度能够改变，以减小方向改变要求。特别地，如果导管高度Hr，Hv，Hd在转子端部156处比在喷嘴导向轮叶端部152，154处更大，该流角度能够优选地改变，以减小喷嘴导向轮叶144需要的方向改变，并且损失也如此。然而，这种导管高度Hd的变化减小了流通路面积的变化，并且因此，扩散效果和总速度变化，并且可导致需要增加毂/尖比率，两者都均趋向于降低性能。因此，存在打破平衡，这将意味着：在喷嘴导向轮叶端部152，154处的导管146的高度Hd不可能小于转子端部156处的一半。为了补偿导管高度Hd的变化，还将认识到：到转子132的偏移半径Ro和轮叶140，142半径Rv，Rr的差可被改变，以在总流通路面积和扩散中保持所需变化。
当将导向轮叶140，142向外移到比转子叶片136更大的半径Rv会减小压力损失的幅度时，仍围绕转子132下游的各自导向轮叶144产生大区域的湍流分离流。这引起压力损失并效率降低。通过采用适合沿相反流操作的新颖导向轮叶几何形状，可以减小该区域分离(即湍流)的范围和它引起的损失。
因此，对于它们，当沿前向流方向作为进口导向轮叶时，导向轮叶144的设计要求是提供低损失的高效流改变方向，以将空气流引导到转子叶片132上，并具有当它们沿相反方向作为出口引导轮叶操作时，减小出现的流分离的影响。特别地，该导向叶轮144轮廓应提供沿前向流方向的有效的方向改变，并具有当沿反向流方向操作时，提高性能的特性。
如果当在转子上游操作时，倾斜以将流引导到转子处的简单弯曲板将用于导向轮叶144，则任何相邻两个导向轮叶之间的流通路的面积向着转子减小。然而，当流相反，并且导向轮叶在转子的下游处时，弯曲板导向轮叶之间的通路用作极差的扩散器，这增加了损失。因此，为了提高当沿相反流方向操作时的性能，该导向轮叶144被设计以具有轮廓，其中：其中出现流转向的轮叶144之间的通路部分的横断面面积几乎保持恒定。这个特性意味着：当轮叶144沿相反流方向操作时，在其中流被转向的区域中几乎不会出现扩散一这会加剧分离流的发展，扩散发生在其中无流转向的通路的部分。
此外，该轮叶的转向区166的长度保持尽可能地短，以使对转子出口流的轴向阻塞最小。该导向轮叶144还具有相当钝的圆弧式后缘，这减小了高流冲角的影响和流冲角的变化。与传统的单方向导向轮叶相比，通常期望后缘(更接近转子)具有尽可能尖的轮廓，并且对于导向轮叶的后缘尽可能地薄。
图5a，5c和7中显示了符合这些目标并将空气流引导到转子叶片上的适合的导向轮叶轮廓。图7显示了关于流方向F，F1，F2，第一组喷嘴导向轮叶140的轮叶144的轮叶轮廓。第二组喷嘴导向轮叶142的轮叶144的叶轮轮廓与之相同，但通过与图5a和5c比较，轮叶144沿所述相反轴向方向定向。
经过断面轮廓的喷嘴导向轮叶144包括鼻区164、转向区166和后缘区168。该鼻区164被设置轴向最远离转子132，并根据轮叶用于的喷嘴导向轮叶组，朝向进入腔114的开口118或出口121。该后缘区168被设置轴向朝向转子132，其中转向区166在鼻区164与后缘区168之间。该喷嘴导向轮叶144的轮廓通过一起弯曲这些区的每个的多个几何特性形成。
通过确定作为延伸经过所需转向角θ的圆弧170所需转向量，构造所需轮廓和转向区166，以当流(图7中的F1)使得导向轮叶144在转子叶片136的上游处时，将空气流正确地引导在转子叶片136处。该圆弧170形成轮叶144的中心拱形线170，使转向区166的长度最小。离开拱形线170的上部和下部表面172，174，和厚度tv与弦的比率则在这种转向区上确定，以保持经过这种转向区166上的连续喷嘴导向轮叶144之间的通路的面积Fp实质恒定。通过使用适合的数学函数、余弦、立方与/或正切函数确定其轮廓，上部和下部表面172，174保持连续平滑。
该后缘区168包括转向区166的端部的短直延长部，其中上部和下部表面基本平行。该后缘168优选地仅等于总轮叶轴弦长度的10％，但可等于总轮叶轴弦长度的30％或甚至50％。该后缘区168的端部结束于相对较钝的圆弧式后缘边缘176，当轮叶144受到反向流时，这减小了高流迎角(入射角)的冲击和的流迎角的变化(图7中的F2)。该后缘176可如所示优选地包括半圆形后缘(19)，其中：半径rt在轴向弦的2％和10％之间，并且更优选地为4.5％。
该轮叶轮廓的鼻区164被布置，其中：拱型线与中心轴线101平行并沿轴向方向，使得：在鼻区164上没有流的转向。该鼻区164具有相当细(即，相对较长)的椭圆或其它合适轮廓，其确定了邻近轮叶144之间的增加流通路，以当轮叶144受到反向流(图7中的F2)并在转子132的下游时，为反向流提供逐渐需要的扩散。该轮叶144的最大厚度Tvmax和最大厚度点前的椭圆鼻区164的长径比由后缘176的厚度、转向区166和转角θ以及在转向区166上保持恒定流通路面积Fp的要求确定。
如图7所示，结果的轮叶144轮廓相对平坦，并且具有相对较大的最大厚度。这种几何形状还具有存在显著内部容量的优点，其可以用于或者用作用于边界层鼓风的空气的增压腔室(在下面描述)，或者容纳与具有可变几何形状叶片关联的致动器机构。
如所示，在优选布置中，在转弯166和后缘区168上方，该流动通路的面积实质恒定，仅面积在鼻区上改变和增加。相应地，流F，F1，F2的扩散仅出现在轮叶144的鼻区164上。
通常，随着经过冲击式涡轮的流增加，效率也增加，直到到达峰值，此后，随着流速的进一步增加，存在缓和减小。这意味着：为取得反向循环的高效率，该涡轮应在高质量流量率条件下运行-以使低质量流速操作、低效率条件运行花费的时间最小。因此，为满足前述要求，设计目标变为具有相对较高的质量流量比设计点，即例如基于轮叶几何形状，在Φ＝1.0的中间跨度处具有平均轴向速度/旋转速度。这可以与传统的冲击式涡轮装置和转子设计以及例如具有Φ＝0.4的设计点质量流量比的转向角α形成对比。
在传统的装置中，当自转子的出口流为轴向时，冲击式涡轮以最大效率运转，并且因此，在其设计点处，涡轮通常被设计以接近这一条件。当导向轮叶140，142在转子出口下游时，如在反向流的情况中，并且转子132出口流接近轴向时，在导向轮叶144上的流迎角极高，这导致极大的流分离。通过减小转子132出口流在下游的导向轮叶140，142上的迎角，可以减小这种分离的范围。相应地，可以将转子叶片132转向角增加几度，例如3-5度，超过在设计点处严格要求的那个值(等于最大70度的总转向)，使得：从转子132引出斜流。这减小了自转子132的流在转子132下游的轮叶144上的迎角。相应地，该转子叶片136优选地具有比传统使用的更高的转向角度。虽然这导致转子132性能的略微下降，由于与导向轮叶140，142略微更好的流对准，它大于损失减小补偿。
为了使效率最大，为了使涡轮尽可能多地从经过它的空气流取得功，期望从涡轮组件120取得低漩涡出口流。这意味着：期望具有相对较高加载的转子轮廓，这导致相对较大的导向轮叶144和转子叶片136转向角，典型地大于55度。考虑到这个，并且通过使用改变高度Hd的偏移导管146可以减小(如所述)导向轮叶144转向角，该导向轮叶144转向角θ将典型地在35-70度的范围中，并且类似的转子叶片136转向角α在35-70度的范围中，由于转子围绕其轴向中间平面对称，给出在70-140度(i.e 2α)之间的总的转子叶片136转向角度。
换言之，转子132，并且特别地转子叶片136的转向角α被设计以产生非轴向出口流，并具有(在设计运行点处)环绕漩涡分量，以减小出口流中与面对邻近转子132的叶片轮廓的未对准。这能够与典型的冲击式涡轮转子设计形成对比，其设计以在设计运行点处具有多个轴向流。相应地，该转子132和转子叶片轮廓并且特别地转向角被配置以被更高地加载，并具有比典型纯冲击式涡轮的情况更高的质量流量率。因此，根据本发明的转子132不是纯冲击式轮廓，但具有经转子132的略微压降，以产生非轴向出口流。虽然这减小了转子132的效率，由于非轴向出口流未与叶片轮廓未对准，它得到与导向轮叶144的出口流未对准关联的损失减小的补偿，并给出总效率的总体改进。甚至，该转子设计(和转向角)优选地最优化并被设置，使得：以设计流速，漩涡和圆周速度分量的程度使得由于具有这种漩涡分量的出口流、与转子出口关联的损失，等于由于具有这种漩涡分量和处于非轴向的角度的出口流、与经过导向轮叶144上的流关联的损失减小。
本发明的实施例的转子叶片轮廓在图10中显示，并且由圆弧拱形线180和厚度确定。该转子叶片136优选地围绕其中线在其整个径向高度上对称。该圆弧180确定了转子叶片136的转角α。应该注意：由于叶片轮廓是对称的，该转子叶片136的总转角实际上为2倍α。压力和吸力表面182，184则由经过前缘186和后缘188边界点和在弦中部处的最大厚度的点的抛物曲线确定。这种轮廓定义通过将特定半径(将取决于制造考虑)应用于前和后缘186，188完成。
除了使用新颖的轮廓，可通过使它们3维以使它们更好地匹配于随着半径改变的局部流条件，该喷嘴导向轮叶144与/或转子叶片136的性能得以改进。这意味着：当喷嘴/导向轮叶叶片的轮廓沿其跨度保持相同时，在不同半径处包括轮叶/叶片的区域被扭曲，并且通过旋转该区域并将质心堆叠在3维数学函数上，而不是沿直的径向线堆叠质心，引起周向和轴向位移(倾斜和平移)。导向轮叶和转子叶片轮廓的3维叶片航空动力设计优化的这种使用在如下情况中特别优选：前和反向流的特征是不同的，例如由于自腔室114与从大气进入腔室114的空气流之间的密度差。图8示意性地显示了可能施加于区段的扭曲、倾斜和平移。此外，轮叶144和转子叶片136的轮廓也可在其径向高度和跨度上改变。
已知：通过经讨论表面引入流体以通过边界层鼓风重新为边界层提供能量，可以减小或甚至防止流分离，并产生性能的净增加。与经过涡轮的总体质量流量率相比，这样做所需的流体质量流量率典型地相对较小。
相应地，当喷嘴引导轮叶144在转子132的下游时，流体的重新提供能量流可被引导经过喷嘴引导轮叶144，以在喷嘴引导轮叶144上给边界层重新提供能量，并控制和减小在喷嘴引导轮叶144上的反向流期间出现的流分离。如图9所示，这可以通过提供接近轮叶144的后缘176的细槽190实现，当叶片144受到逆向流时，从这里，流体的喷射可被排出，并且该流使得叶片144在转子132的下游。该狭槽190以某一角度布置，典型地约45度，以与局部表面斜面相切。为取得最大效果，当轮叶144用作下游导向轮叶144时，该狭槽190典型地位于后缘176(其在逆向流中，为前缘)和流分离点上。为将狭槽190和适合的管道容纳在轮叶144内以将流体供应到狭槽190，后缘176被制作得相对较厚。为了高效，自狭槽的流体流的速度必须比经过轮叶的局部自由流速度更高，并且典型地为自由流速度的1.1倍到1.3倍的范围中。
利用适合措施可提供产生边界层控制所需的流体流。例如并如图14所示，经适合的阀202、围绕该组喷嘴导向轮叶的压力通风和集合管204，从那里流体会经多个供应导管管道206输送到各个轮叶144和每个叶片的狭槽190，该流体可从分离的加压空气源200提供。该受压流体的来源优选地在足以提供所需速度的自狭槽190的流体流的压力处，所需速度典型地为自由流速度的1.1倍到1.3倍，并且这由狭槽的面积确定，并且必须比在叶片144处的静压力更大。该开关阀202被控制，使得：当经涡轮组件120并在各自叶片144上存在反向流(在第一组导向轮叶140的情况中F2)，它仅将鼓风流体供应到狭槽190。应该意识到：在图14中，仅显示了第一组喷嘴导向轮叶140的鼓风流体供应装置，并且意识到：对应的流体供应装置被提供用于第二组喷嘴导向轮叶142。
可选地，如果经涡轮的压降足够大，通过从流体源取得另外的流，或通过在流动环中加入进口(诸如例如简单的皮托管类型)以排出所需的鼓风流，通过将流体从上游导向轮叶142前面传送到下游引导轮叶，这可以用于提供鼓风流体。优选地，在这种装置中，引起适合鼓风流的压差将仅存在于经涡轮120存在适合流F1，F2时。此外，在主流F，F1，F2颠倒时，进入狭槽190并且从进口出来的反向鼓风流未出现，因为狭槽190在轮叶144邻近转子132的边缘上并且因此在后缘上，并且后缘上和狭槽190处的压力与在相对轮叶的相对侧处的下游压力类似，其中冲击式涡轮的主压降出现在进口/上游引导轮叶上。相应地，对于主流F1，F2的当前方向，这种被动鼓风装置仅自动地将鼓风流体供应到适合的导向轮叶，无需任何开关装置202。这将优选地产生不具有运动部件的被动鼓风系统。这种被动鼓风装置如图11和12所示。
在图11的鼓风装置中，经辅助进口208和导管210，第一组轮叶140的另外流体流取自大气，以将流体传送到第一组喷嘴导向轮叶140周围的强制通风系统204，从那里，它被管道206输送入各个叶片144和狭槽190。第二组叶片142的鼓风装置未显示在图11，但相类似，虽然在那种情况中，另外的流体流取自振动水柱发电机110的腔室114。
在图12的鼓风装置中，这是优选地布置，以当沿反向流F2操作时，将流体提供给第一组轮叶140，皮托管类型进口212被布置在流通路228中，在第二组喷嘴导向轮叶142前。皮托管类型进口212被连接到导管210以围绕第一组喷嘴导向轮叶140传送流体，到第二组喷嘴导向轮叶142下游，并到转子132的另一侧和到压力通风系统204，从那里，它被管道206输送入第一组叶片140的各自轮叶144和狭槽190中。第二组轮叶142的鼓风装置未显示在图12中，但与之类似，虽然在那种情况中，另外的流体流取自在流动通路228中设置的皮托管类型进口212，在第一组喷嘴导向轮叶142之前。皮托管类型进口212被连接到导管以围绕第一组喷嘴导向轮叶140传送流体，并到第一组喷嘴导向轮叶142的下游，到转子132的另一侧，到强制通风系统204，从那里，它被管道206输送入第二组喷射导向轮叶142的各自轮叶144和狭槽190中。
如果在特殊应用中的压差太小而不能泵取鼓风空气所需的质量流量率，小型压缩机214可加入系统，如图13所示，以也增加变向空气的压力。这种泵214可类似地被加入图11的装置中。由于它增加了复杂度并且还需要开关系统以适合地运行泵214，这种泵214的使用不太期望。
也将认识到：在其它实施例中，狭槽190可由一系列小孔或多个狭槽代替，以在轮叶上提供鼓风流体的多个间隔喷射。这可减小鼓风流体要求与/或增加给定鼓风流量率取得的效果。
所述发明包括新颖的涡轮装置，其提供了当通过冲击式涡轮的流动周期地颠倒方向时的上述低的总效率问题的解决方案，并且根据本发明的特定实施例的涡轮120可提供75％或更多的改进效率。因此，本发明的这种冲击式涡轮装置可以实际上并优选地例如用于振动水柱发电机系统中。这种冲击式涡轮装置还具有超过其它装置，例如传统地用在这种应用中的Wells类型涡轮装置，的另外的优点，包括：具有相对较低的运行旋转速度；与例如类似任务的Wells类型涡轮相比较的高扭矩特征；和无(或低)轴向运行负载。优选实施例的冲击式涡轮装置还具有固定的几何形状和仅一个主运动部件-转子。
虽然如所述，该冲击式涡轮装置120特别适合与振动水柱发电机设备110一起使用，它可被用于其中经冲击式涡轮装置120的流动周期地颠倒的其它应用中。
也将认识到：该涡轮装置120的精确几何形状，并且特别地，轮叶144和叶片136确切轮廓和尺寸将由特定应用细节确定，并且因此它们已参照重要参数的典型值在这里进行了描述。此外，虽然描述仅提及使用具有单行和单组喷嘴导流叶片140，142，转子132的任一侧具有单一叶片行，这些可由多叶片行和多行导流轮叶代替。
本发明的原理和操作方式已在其优选实施例中说明和显示。然而，应该理解识到：在不背离其精神和范围的情况下，本发明可以超出特定说明和显示，采用其它方式实施。

Claims (42)

1.一种双向流冲击式涡轮装置，所述涡轮装置与经过该涡轮装置的双向反向流一起使用，所述涡轮装置具有轴线，并包括：
转子，所述转子可旋转地安装以围绕所述轴线旋转，并具有环绕所述转子沿圆周设置的多个转子叶片；
第一组导向轮叶，所述第一组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的一个轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；
第二组导向轮叶，所述第二组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的相反的轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；和
第一和第二环形导管，所述第一和第二环形导管分别设置在所述第一和第二组导向轮叶与所述转子之间，用于将流体从所述导向轮叶引导到所述转子叶片，
其中：所述导向轮叶被设置在比所述转子叶片更大的半径处，使得所述导向轮叶从所述转子叶片径向偏移。
2.根据权利要求1所述的涡轮装置，其中：所述导向轮叶自所述转子叶片的径向偏移距离为所述转子叶片的径向高度的6倍。
3.根据任何前述权利要求所述的涡轮装置，其中：所述第一和第二环形导管的轴向长度在所述转子叶片径向高度的4倍到12倍之间。
4.根据任何前述权利要求所述的涡轮装置，其中：在所述导管的邻近所述转子叶片的端部处的所述第一和第二环形导管的环形流动通路的径向高度对应于所述转子叶片径向高度。
5.根据任何前述权利要求所述的涡轮装置，其中：所述第一和第二环形导管的所述环形流动通路的高度沿所述环形导管的长度恒定。
6.根据权利要求1到4中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述第一和第二环形导管的所述环形流动通路的高度在所述导管的邻近所述导向轮叶的端部处比所述导管的邻近所述转子叶片的端部处更小。
7.根据权利要求6所述的涡轮装置，其中：在所述导管的邻近所述导向轮叶的端部处的所述第一和第二环形导管的环形流动通路的所述高度大于在所述导管的邻近所述转子叶片的端部处的所述第一和第二环形导管的环形流动通路的所述高度的一半高度。
8.根据任何前述权利要求所述的涡轮装置，其中：在所述导管的邻近所述导向轮叶的端部处的所述第一和第二环形导管的流动通路面积大于在所述导管的邻近所述转子叶片的端部处的所述第一和第二环形导管的流动通路面积。
9.根据权利要求8所述的涡轮装置，其中：在所述导管的邻近所述导向轮叶的端部处的所述第一和第二环形导管的所述流动通路面积比在所述导管的邻近所述转子叶片的端部处的所述第一和第二环形导管的所述流动通路面积大4倍。
10.根据权利要求8所述的涡轮装置，其中：在所述导管的邻近所述导向轮叶的端部处的所述第一和第二环形导管的所述流动通路面积比在所述导管的邻近所述转子叶片的端部处的所述第一和第二环形导管的所述流动通路面积大2.5倍。
11.一种双向流冲击式涡轮装置，所述涡轮装置与经过该涡轮装置的双向反向流一起使用，所述涡轮装置具有轴线，并包括：
转子，所述转子可旋转地安装以围绕所述轴线旋转，并具有环绕所述转子沿圆周设置的多个转子叶片；
第一组导向轮叶，所述第一组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的一个轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；和
第二组导向轮叶，所述第二组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的相反的轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；
其中：在所述第一和第二组导向轮叶中的至少一组的导向轮叶的导向轮叶表面中限定至少一个边界层流动控制出口，所述边界层流动控制出口被连接到流体源，以在使用中将来自所述流体源的流体引导到所述出口并经过导向轮叶表面。
12.根据权利要求11所述的涡轮装置，其中：所述至少一个边界层流动控制出口包括在所述导向轮叶的导向轮叶表面中的狭槽。
13.根据权利要求11或12所述的涡轮装置，其中：所述至少一个边界层流动控制出口包括在所述导向轮叶的导向轮叶表面中的多个狭槽。
14.根据权利要求11所述的涡轮装置，其中：所述至少一个边界层流动控制出口包括在所述导向轮叶的导向轮叶表面中的多个孔。
15.根据权利要求11到14中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述至少一个边界层流动控制出口被朝向更接近所述转子的所述导向轮叶的转子端部定位。
16.根据权利要求11到15中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述流体源包括至少一个进口和导管，以使流经所述涡轮导管的一部分流体转向到所述至少一个边界层流动控制出口。
17.根据权利要求16所述的涡轮装置，包括：
第一进口和导管，以使流经所述涡轮导管的一部分流体转向到所述第一组导向轮叶的至少一个边界层流动控制出口；和
第二进口和导管，以使流经所述涡轮导管的一部分流体转向到所述第二组导向轮叶的至少一个边界层流动控制出口。
18.根据权利要求17所述的涡轮装置，其中：
所述第一进口位于所述转子的与所述第一组导向轮叶相反的轴向侧上；并且
所述第二进口位于所述转子的与所述第二组导向轮叶相反的轴向侧上。
19.根据权利要求18所述的涡轮装置，其中：
所述第一进口位于所述第二组导向轮叶与所述转子相反的轴向侧上；且
所述第二进口位于所述第一组导向轮叶与所述转子相反的轴向侧上。
20.根据权利要求16到19中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述至少一个进口包括位于经过所述涡轮装置的流动通路中的皮托管进口。
21.根据权利要求11到20中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述流体源包括泵。
22.根据权利要求11到21中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述流体源包括至少一个阀，以控制从所述流体源到所述至少一个边界层流动控制出口并经过所述导向轮叶表面的流体流。
23.一种双向流冲击式涡轮装置，所述涡轮装置与经过该涡轮装置的双向反向流一起使用，所述涡轮装置具有轴线，并包括：
转子，所述转子可旋转地安装以围绕所述轴线旋转，并具有环绕所述转子沿圆周设置的多个转子叶片；
第一组导向轮叶，所述第一组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的一个轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；和
第二组导向轮叶，所述第二组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的相反的轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；
其中：在相邻导向轮叶之间限定流动通路，并且所述导向轮叶具有横断面轮廓，所述横断面轮廓包括：与所述轴线和经过涡轮的轴向流大致平行定向的第一部；与所述轴线和经过所述涡轮的轴向流成角度定向的第二部；和设置在所述第一部和所述第二部之间的转向部，且
其中：在相邻导向轮叶的所述转向区之间限定的所述流动通路的横断面面积大体上恒定。
24.根据权利要求23所述的涡轮装置，其中：所述导向轮叶由壁限定，并且经过所述转向区的在相邻导向轮叶的壁之间的所述流动通路的宽度大体上恒定。
25.根据权利要求23或24所述的涡轮装置，其中：所述轮叶的转向区具有由圆弧限定的拱形线。
26.根据权利要求25所述的涡轮装置，其中：所述圆弧延伸经过轮叶的预定转向角度。
27.根据权利要求26所述的涡轮装置，其中：所述轮叶的所述预定转向角度在相对于轴向方向的35度和70度之间。
28.根据权利要求23到27中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述第一区具有椭圆形横断面轮廓。
29.根据权利要求23到28中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述第二部包括等于所述轮叶的轴向弦的30％，并优选地等于10％。
30.根据权利要求23到29中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述第二部的端部具有圆弧边缘，所述圆弧边缘的半径在所述轮叶的轴向弦的2％和10％之间，并且优选地为4.5％。
31.一种双向流冲击式涡轮装置，所述涡轮装置与经过该涡轮装置的双向反向流一起使用，所述涡轮装置具有轴线，并包括：
转子，所述转子可旋转地安装以围绕所述轴线旋转，并具有环绕所，述转子沿圆周设置的多个转子叶片；
第一组导向轮叶，所述第一组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的一个轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；和
第二组导向轮叶，所述第二组导向轮叶围绕所述轴线沿圆周设置并位于所述转子的相反的轴向侧上，用于将所述双向反向流引导到所述转子叶片和从所述转子叶片引导所述双向反向流；
其中：所述转子叶片具有转向角，所述转向角比转子叶片在涡轮的运行点产生轴向流所需的角度大3度到5度。
32.根据权利要求31所述的涡轮装置，其中：所述转子叶片的所述转向角度在70度和140度之间。
33.根据权利要求31或32所述的涡轮装置，其中：所述转子叶片具有转向角，以在使用中从所述转子产生非轴向出口流。
34.根据权利要求31到33中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述转子叶片具有由圆弧线定的拱形线。
35.根据权利要求34所述的涡轮装置，其中：所述转子叶片具有与所述拱形线间隔开并以所述拱形线为中心的抛物线压力和吸力表面。
36.根据权利要求31到35中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述转子叶片围绕垂直于所述轴线并经过所述叶片的轴向中点的平面对称。
37.根据权利要求11到36中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述导向轮叶被设置在比所述转子叶片更大的半径处，使得所述导向轮叶从所述转子叶片径向偏移。
38.根据权利要求1到10或23到36中的任一项所述的涡轮装置，其中：在所述第一和第二组导向轮叶中的至少一组导向轮叶的导向轮叶表面中限定至少一个边界层流动控制出口，所述边界层流动控制出口被连接到流体源，以在使用中将来自所述流体源的流体引导到所述出口并经过所述导向轮叶表面。
39.根据权利要求1到22或31到36中的任一项所述的涡轮装置，其中：
在相邻的导向轮叶之间限定流动通路，并且所述导向轮叶具有横断面轮廓，所述横断面轮廓包括：与所述轴线和经过涡轮的轴向流大致平行定向的第一部；与所述轴线和经过涡轮的轴向流成角度定向的第二部；和设置在所述第一部和所述第二部之间的转向部；且
其中：在相邻导向轮叶的所述转向区之间限定的所述流动通路的横断面面积大体上恒定。
40.根据权利要求1到30中的任一项所述的涡轮装置，其中：所述转子叶片具有转向角，所述转向角比转子叶片在涡轮的运行点产生轴向流所需的角度大3度到5度。
41.一种振动水柱发电机，包括：
外壳，所述外壳限定了由振动水柱周期地压缩和膨胀的流体腔室，所述外壳具有出口，用于从所述外壳引导由所述振动水柱周期地压缩和膨胀的流体的双向反向流；
任何前述权利要求的涡轮装置，所述涡轮装置被连接到所述出口并由来自所述出口的流体的双向反向流驱动；和
发电机，所述发电机被连接到所述涡轮装置的转子并被所述转子驱动。
42.根据权利要求37所述振动水柱发电机，其中：被所述振动水柱周期地压缩和膨胀的所述流体包括空气。
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