CN102084123B - 具有混合器和喷射器的水力涡轮机 - Google Patents

具有混合器和喷射器的水力涡轮机 Download PDF

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Abstract

用于从相对于所述涡轮机系统而运动的水流中提取能量的涡轮机系统可包括：转子组件，其用于提取能量；涡轮机外罩，其具有涡轮机外罩内容积，所述转子组件的至少一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中；以及喷射器外罩，其具有喷射器外罩内容积，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中。所述涡轮机外罩和所述喷射器外罩可分别具有末端，所述末端分别包括多个涡轮机外罩混合元件或者喷射器外罩混合元件。所述混合元件和喷射器外罩中的一个或多个包括能提高涡轮机系统的能量提取潜力的混合/喷射泵。所述涡轮机外罩混合元件、喷射器外罩混合元件、喷射器外罩入口和涡轮机外罩入口中的一个或多个可以是相对于穿过转子组件的旋转轴线的平面不对称的。还公开了与上述特征和其它特征相关的方法、系统、装置和制品。

Description

具有混合器和喷射器的水力涡轮机
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年4月16日提交的名称为“具有混合器和喷射器的水轮机”的美国临时专利申请No.61/124，397的优先权，其全部公开内容通过引用的方式并入本文。
技术领域
本发明的主题涉及轴流式涡轮机和喷射器系统，诸如：例如为那些用于当浸没在诸如海流、潮汐流、河/溪流及其它液流时提取能量。
背景技术
在此，将从流动的水中提取能量的轴流式水力涡轮机(水轮机)系统称为“水流涡轮机”。水流涡轮机通常包括取向为接收运动的水流的螺旋桨状的装置或“转子”。如图1所示，转子可以无外罩或者容纳在外罩里。当水流撞击转子时，水流在转子上产生的力使转子绕其中心旋转。转子可以通过诸如齿轮、带、链条等联动装置与发电机或机械装置相连。这种涡轮机可用于发电和/或驱动旋转泵或移动机械零件。它们还可以用于大型发电“水流涡轮机场”(也称为“水流涡轮机阵列”)，其包括以几何图形排列的多个这样的涡轮机，该几何图形被设计为能够在使各个这种涡轮机对彼此和/或周围环境的影响最小的情况下实现最大的功率提取。
无外罩的转子在置于宽度和深度比其直径更大的水流中时将流体功率转换为旋转功率的能力被限制为来流功率的59.3％，该值是在1926年由A.Betz所证明的称为“贝兹(Betz)”极限的已被良好证实的理论值。该生产率极限值尤其适用于如图1A所示的常规多叶片轴流式水流涡轮机和潮汐涡轮机。已经尝试使水流涡轮机的性能潜力超过“贝兹”极限。与无外罩的转子相比，适当设计的外罩可使来流在接近转子时加速。因而使来流集中在管道的中央。通常，对于适当设计的转子而言，这种与无外罩的转子相比提高的流速导致转子上的作用力增大，并继而导致与相同尺寸的无外罩转子相比功率提取水平更高。诸如图1B所示的现有的带外罩的水流涡轮机已采用入口集中器和出口扩压器来提高涡轮机转子处的流速。扩压器典型地包括具有沿着轴向长度的开口的管状结构，从而使得管内部的水与管外部的水缓慢、扩散地混合，该扩压器通常需要大的长度以获得良好的性能，并且往往对来流的变化非常敏感。这种长而对流动敏感的扩压器在许多设备中不实用。短的扩压器可能脱流，从而降低系统的能量转换效率。
大多数现有水流涡轮机采用基于推进螺旋桨构思的单个多叶片转子以提取水流能量。因此，穿过水流涡轮机叶片的大量流体将一部分流动能转换为围绕轴线的旋流。这一旋流部件吸收不能被输出至发电机的能量，并且引起系统的尾流中的旋转流动，该旋转流动可能引起河床冲刷、沉积物搅动和水生生物失去方向感。
另外，例如图1A中所示的常规的单转子系统在旋转的开始发生延迟，从而直到局部的轴向速度级高到足以在转子翼上引起正的空气/流体动力升力和扭矩时才开始发电。此外，现有带外罩的水流涡轮机不能解决围绕外罩外表面的流体的空气/流体动力效率的问题，特别是当存在自由表面、盆地底面或侧壁、或者船只的外壳时。
混合器/喷射器是短小紧凑型的喷射泵，该喷射泵相对而言对来流的扰动不敏感，并被广泛用于流速为近音速或超音速的高速喷射推进设施。参见例如发明人为Dr.Walter M.Presz，Jr之一的美国专利No.5，761，900，其中也在下游使用混合器，从而在减小排放噪音的同时提高推进力。在包括由上述发明者设计的风力涡轮机的应用在内的所有在先的混合器/喷射器技术的发电应用中，引起两股水流之间的混流的多重三维表面(下文中称为混合元件)均具有相同的尺寸并且围绕外罩的圆周以重复模式布置。
与风力涡轮机类似，水流涡轮机必须能够调节输出功率以与发电机的额定功率等级相一致。常规的三叶片风力涡轮机可经历高达其平均操作风速十倍大小的风速，并且必须结合复杂的机械停车系统以避免发电机和/或结构的损坏。水流涡轮机经历较小的极端速度变化，从而典型地结合不同设计的关闭系统。
用于带外罩的水流涡轮机的锚定系统与用于风力涡轮机的高塔非常不同，同样地，锚定系统必须一体地设计以避免不利于紧密联接的系统的空气/流体动力效率。在如图1所示的位于柱或平台上的系统将遇到不同等级和来源的空气/流体动力干涉，必须减少这种干涉以保证能量的有效输送。
发明内容
在第一实施例中，提供一种涡轮机系统，其用于从相对于所述涡轮机系统沿引入水流方向运动的水流中提取能量，所述涡轮机系统具有适于指向引入水流方向的入口端和与所述入口端相对的出口端。所述水具有跨所述涡轮机系统的入口端的不均匀的流速分布。所述涡轮机系统包括：转子组件；涡轮机外罩，其具有涡轮机外罩内容积，所述转子组件的至少一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中；以及喷射器外罩，其具有喷射器外罩内容积，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中。所述转子组件相对于旋转轴线是轴对称的，并且所述转子组件具有朝向所述入口端的上游转子面。所述涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，所述涡轮机外罩入口设置为比转子组件更接近所述入口端，所述涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更接近出口端。所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件。所述涡轮机外罩入口适于将沿引入水流方向流动的第一体积的水导向所述转子组件，从而由所述第一体积的水使所述转子组件旋转，并且在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排到所述喷射器外罩中之间，从所述第一体积的水中提取能量。所述喷射器外罩包括喷射器外罩入口和喷射器外罩末端。所述喷射器外罩入口相对于穿过旋转轴线的平面是不对称的，从而使所述喷射器外罩入口在穿过旋转轴线的平面的低流速侧的横截面面积大于在穿过旋转轴线的平面的高流速侧的横截面面积。所述喷射器外罩末端沿所述水流方向延伸超过所述涡轮机外罩混合元件。
在第二相关实施例中，涡轮机系统包括：转子组件，其相对于旋转轴线是轴对称的，并且所述转子组件具有朝向所述入口端的上游转子面；涡轮机外罩，其具有涡轮机外罩内容积，所述转子组件的至少一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中；以及喷射器外罩，其具有喷射器外罩内容积，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中。所述涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，所述涡轮机外罩入口设置为比转子面更接近所述入口端，所述涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更接近出口端。所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件，所述涡轮机外罩混合元件相对于穿过旋转轴线的平面是不对称的，从而使位于穿过旋转轴线的平面的低流速侧的涡轮机外罩混合元件中的至少一个大于位于穿过旋转轴线的平面的高流速侧的涡轮机外罩混合元件中的至少一个。所述涡轮机外罩入口适于将沿引入水流方向流动的第一体积的水导向所述转子组件，从而所述第一体积的水使所述转子组件旋转，并且在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排出之前，从所述第一体积的水中提取能量。喷射器外罩包括喷射器外罩入口和沿水流方向超过涡轮机外罩混合元件的喷射器外罩末端。
在第三相关实施例中，提供一种从相对于涡轮机系统沿水流方向运动的水流中提取能量的方法，所述方法包括：将第一体积的水吸入具有涡轮机外罩内容积的涡轮机外罩中，转子组件的至少一部分设置在所述涡轮机外罩内容积；引导第一体积的水通过所述转子组件，从而使所述转子组件在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排出之前，从所述第一体积的水中提取能量；将第二体积的水吸入具有喷射器外罩内容积的喷射器外罩中，涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中；以及，将所述第一体积的水和所述第二体积的水混合成混合体积的水，然后将所述混合体积的水从所述喷射器外罩末端排出。。涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，涡轮机外罩入口设置为比转子组件更接近所述入口端，涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更接近出口端。所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件。所述喷射器外罩包括喷射器外罩入口和喷射器外罩末端。所述喷射器外罩末端沿水流方向延伸超过涡轮机外罩混合元件。
在本发明主题的给定实施例中可以包含一个或多个附加的可选变型和特征。可以特别地设计所述喷射器外罩混合元件和所述涡轮机外罩混合元件以形成混合/喷射泵，所述混合/喷射泵通过增大经过所述涡轮机转子的流率和通过将低能量的涡轮机外罩出流与进入所述喷射器外罩入口的旁通流体进行混合而提高系统的能量提取潜力。所述喷射器外罩入口适于将沿水流方向移动的第二体积的水导入所述喷射器外罩内容积中，并且所述喷射器外罩内容积中可以包含多个喷射器外罩混合元件，所述喷射器外罩将所述第一体积的水和所述第二体积的水混合，然后通过所述喷射器外罩末端排出。所述涡轮机外罩和所述喷射器外罩的形状可以使得在转子面上出现的速度梯度最小化，使得所述第一体积最大化，并使得所述第一体积的水在从喷射器外罩末端排出之前与第二体积的水的混合体积最大化。所述速度梯度是沿着所述转子面测量的。
可以包含中心体，所述转子组件围绕所述中心体旋转。所述涡轮机外罩可以包括定子组件，所述定子组件包括围绕所述中心体轴向排列的定子叶片。所述定子叶片是可旋转的，以便通过增大或减小在引入水流方向上的敞开流动面积而调节所述第一体积。所述涡轮机外罩入口可以包括一个或多个可移动的门元件，可对所述门元件进行操作以增大或减小流经所述转子组件的所述第一体积的水。可以在所述中心体的前方设置变向装置，所述变向装置被成形为可以借助惯性将到达转子面之前的第一体积的水中的悬浮碎屑和/或水生碎屑分离。所述中心体可以包括从所述中心体朝所述涡轮机外罩末端突起并伸入所述喷射器外罩内的下游端。所述中心体可以包括中空腔，所述中空腔适于使所述悬浮水生碎屑和/或水生物朝向所述涡轮机外罩末端通过所述中心体，而不与所述转子叶片相遇。中空腔的后缘可选择性地包括混合元件，所述中空腔也可以将高能量的旁通流体传递至喷射器外罩，以提高喷射器外罩内的混合性能。所述下游端可以包括一个或多个中心体混合元件。流经具有下游混合元件的中空中心体可以提高混合/喷射泵的操作性能。
所述涡轮机外罩入口可以具有非圆形的横截面，所述涡轮机外罩入口在穿过旋转轴线的平面的低流速侧的横截面面积大于在穿过旋转轴线的平面的高流速侧的横截面面积。所述涡轮机外罩混合元件可包括一个或多个混合器瓣和混合器槽。所述转子组件可包括转子毂、外转子环，以及设置在毂之间的径向取向的第一多个转子叶片。所述喷射器外罩末端区域可以包括第二多个喷射器外罩混合元件，所述喷射器外罩混合元件可以包括一个或多个混合器瓣和混合器槽。
所述多个喷射器外罩混合元件相对于穿过旋转轴线的平面可以是不对称的。例如，位于穿过旋转轴线的平面的低流速侧的一个或多个喷射器外罩混合元件可以大于位于穿过旋转轴线的平面的高流速侧的一个或多个喷射器外罩混合元件。类似地，所述多个涡轮机外罩混合元件相对于穿过旋转轴线的平面可以是不对称的，位于穿过旋转轴线的平面的低流速侧的一个或多个涡轮机外罩混合元件大于位于穿过旋转轴线的平面的高流速侧的一个或多个涡轮机外罩混合元件。
第二喷射器外罩具有第二喷射器外罩内容积，所述喷射器外罩的至少一部分设置在所述第二喷射器外罩中。所述第二喷射器外罩可以包括第二喷射器外罩入口和第二喷射器外罩末端区域。所述第二喷射器外罩入口相对于穿过旋转轴线的平面可以是不对称的，从而使得所述第二喷射器外罩入口在穿过旋转轴线的平面的低流速侧的横截面面积大于在穿过旋转轴线的平面的高流速侧的横截面面积，所述第二喷射器外罩末端沿所述水流方向延伸超过所述喷射器外罩混合元件。
本发明主题可以提供多个优点。例如，水流涡轮机在构思上与风力涡轮机类似，但在细节上有所区别以减少在水中的问题，诸如：所受到的力是风力涡轮机所受到的力的约900倍；大的浮力导致竖直方向上的力；由于贴近用于固定水流涡轮机的诸如池底或壁或船体、驳船或其它水上航行器而在引入速度场中引起的大的竖直变动，从而产生有害的、不对称/不稳定的载荷。由于离开涡轮机的低能量水与绕过涡轮机入口的水流再混合引起的流速场扰乱，从而对水流涡轮机的前后产生沉积物冲刷。对于有效地利用水流涡轮机来说，水生物安全、水腐蚀和污染的防制系统，以及漂浮碎屑管理也是预先设定的重大挑战。这些需求典型地需要为水流涡轮机从前至后使用更强、更重且防水的材料，不同的支撑机构和内部结构，不同的空气动力学/流体动力学外形并进行精心的管理。所有这些因素将明显地增加生产单位能量所需的花费。
根据本发明主题的水流涡轮机的各种特征可以有利地解决这些问题中的很大一部分。例如，喷射器外罩可以设置为包围容纳有转子组件的涡轮机外罩。流入喷射器外罩内的第二体积的水绕过涡轮机外罩并因此不被提取能量。在第一体积的水已经穿过转子组件并被提取能量之后，第二体积的水主动与第一体积的水进行混合。在喷射器外罩内发生混合，然后从喷射器外罩末端排出。
在此说明的水流涡轮机的基于第一原理的理论分析表明：在转子迎面面积相同的情况下，其能够产生三倍于或更多倍于现有的无外罩涡轮机的功率。这里公开的水流涡轮机可以利用两个或更多个因素提高水流和潮汐发电场的生产率。
在附图和下述说明中详细阐明了本发明主题的一个或多个变型。可以从说明书、附图和权利要求书中明显地得出本发明主题的其它特征和优点。
附图说明
并入本说明书并且作为本说明书的一部分的附图示出了本发明的主题的特定方面，并且附图连同说明有助于对与公开的实施例和实施方式相关的原理进行解释。在附图中，
图1A、图1B和图1C是示出水流涡轮机系统的实例的示意图。
图2A、图2B、图2C和图2D是示出水流涡轮机系统的实施例的多个视图的示意图。
图3A和图3B是示出具有一个六叶片转子的水流涡轮机系统的正透视图的示意图；
图4A和图4B是示出具有定子-转子涡轮机的水流涡轮机系统的正透视图，其中部分被去除以示出内部结构，诸如与转子的外缘连接并将功率输出至位于转子内环的环形发电机的呈轮状结构的功率输出装置。
图5A、图5B、图5C和图5D是示出可选的水流涡轮机系统设备的示意图。
图6是示出具有混合器/喷射泵的水流涡轮机系统的替换实施例的示意图，该混合器/喷射泵具有位于涡轮机外罩和喷射器外罩的末端区域上的形状和尺寸围绕圆周变化的混合器瓣。
图7A、图7B、图7C和图7D是示出水流涡轮机系统的替换实施例的示意图，该水流涡轮机系统具有用于水流的对准和移动的两个可选的枢转舵和翼、流动阻挡/控制门和定子，该定子可以旋入或旋出穿过所述门或定子以及水流涡轮机系统的中心体的平面。
图8A、图8B和图8C是示出水流涡轮机系统的替换实施例的示意图，该水流涡轮机系统带有：具有瓣式混合器的敞开通道中心体和具有槽型混合器的喷射器；
图9A、图9B、图9C和图9D是示出具有入口碎屑阻挡系统的水流涡轮机系统的替换实施例的示意图；
图10A和图10B是示出具有二级混合器/喷射器系统的水流涡轮机系统的水力涡轮机系统的替换实施例的示意图。
图11是示出根据本发明主题的实施例的方法的处理流程图。
具体实施方式
燃气涡轮机的构思和技术还未商业性地用于轴流式水流涡轮机。采用成熟的燃气涡轮定子/转子涡轮机空气/的流体动力学方案可以缓和甚至消除旋流影响。燃气涡轮机转子/定子的设计方法可以应用在水流涡轮机上，以基本消除出口旋流对涡轮机尾部环境的有害影响。
根据本发明主题的适当设计的入口定子/转子系统不存在这种在旋转的开始发生延迟的问题，并且因此能够在大于零的所有局部速度级中在转子上产生扭矩并发电。使水流涡轮机的入口控制接近入口的碎屑和/或水生生物的改进也是本发明主题的可选特征。可以将按空气动力学或流体动力学设计的球根形状部件设置在入口的前方，以首先使进水和任何悬浮碎屑向外偏转。水流的惯性小于较大的悬浮碎屑和/或水生生物，因此可以随着球根形状部件的轮廓进入涡轮机外罩或喷射器外罩中。诸如水生动物、碎屑等具有较大的惯性的悬浮物偏离水流线路，并且因此不能进入涡轮机外罩或喷射器外罩中。
为了在流体中达到更高的功率和效率，一般需要使外罩和转子的空气/流体动力学设计与接近涡轮机的竖直扰动的速度分布紧密适应。速度分布在最小等级和最大等级之间一般遵循1/10th的幂律相关性，该最小等级和最大等级通常(但不总是)分别出现在水流床和自由表面上。当风力涡轮机遇到类似的竖直波动时，由于风力涡轮机的竖直尺寸与地球大气层的高度相比是极小的，因此该波动远没有水流涡轮机的情况那样严重。水的密度大约是空气密度的900倍。由于发出的电力取决于流体的密度和局部速度的立方，而轴向力取决于密度和速度的平方，因此，除非利用空气/流体动力学设计进行控制，否则这种变化等级将导致显著不对称的功率输出和转子及外罩系统上的结构载荷。尽管风力涡轮机通常相对于其旋转中心轴线是对称的，但带有外罩的水流涡轮机为采用不对称特征来控制并缓和由来流速度分布导致的并发问题提供了机会。具体而言，尽管外罩内表面的围绕转子部分的必须接近圆形，但这一限制并不适于外罩几何结构的其余部分，无论是内部还是外部。从而，可以利用围绕外罩圆周的空气/流体动力学轮廓的变化来使输入水流的扰动在其到达转子面时减少到可以接受的程度。此外，这种不对称的或制成卵形(ovalated)的空气/流体动力学轮廓可以通过减少对水流盆地和屏壁的冲刷和沉积物搅拌来减少离开系统的流体对周围环境的影响。
喷射器将流体抽吸到系统内，从而提高通过该系统的流率。通过在喷射器的多重外罩的设计中采用环形翼的构思，可以将为得到期望的功率输出等级所需的转子尺寸减小到无外罩的转子所采用的尺寸的一半或更小。较短的转子叶片更为便宜并且在结构上更加稳固。此外，当其余的载荷转移到带有外罩的系统的非旋转元件上时，通过水流施加到转子上的轴向力也可以减小一半或者更多。通过静态地承载载荷，非旋转部分的设计、制造和维修被极大地简化且经济。
为了适应在接近水流涡轮机的水流中所含有的速度扰动并且在附带的制为卵形的外罩的入口中有效地工作，可以采用先进的混合元件设计来使系统的每个圆周部分的混合和抽吸最大化。
采用定子/转子系统的带有多重外罩的混合器/喷射器水流涡轮机除了标准阻断系统之外还提供三种用于实现关闭的装置。定子可以是铰接式的，以基本关闭入口开口、阻挡门，定子构造在外罩的内表面，其可以摆入流场中以便阻挡流道，和/或可以将入口碎屑阻挡球状物移动到入口内以降低流率。
带有多重外罩的混合器/喷射器水流涡轮机提供了使转子和发电系统独特结合的机会。由于水流涡轮机不需要改变方向或者仅需要在潮汐情况下在一天内改变两次方向，因此可以更便利地放置发电机以实现高效和/或易于维修服务。采用在燃气涡轮机中常常使用的转子顶端外罩，使得可以采用齿圈/轮缘传动系统并可以将发电机设置在外罩内或外罩上。此外，可以将中心体设计成敞开的管道以便水的通过。
图2至图10示出多个实施方式，这些实施方式示出包含在本发明的范围内的一些特征。根据一个实施方式，水力涡轮机系统包括具有空气动力学外形或者流体动力学外形的涡轮机外罩102，该涡轮机外罩102在其轴向范围的某些位置为非圆形。具有空气动力学外形或者流体动力学外形的中心体103被装入涡轮机外罩102内并与涡轮机外罩102相连，涡轮机外罩102具有涡轮机外罩入口105，通过该涡轮机外罩入口105抽取第一体积的水。中心体103相对于转子旋转轴线是轴对称的。涡轮级104围绕中心体103，并且涡轮级104包括由定子叶片108a构成的定子环106和具有叶轮或转子叶片112a的叶轮或转子110。转子110包括由转子叶片112a的前缘形成的转子面。转子110位于定子叶片108a的下游，并且转子面与定子叶片108a的后缘基本对齐。定子叶片108a安装在中心体103上，并且转子叶片112a通过内环(箍)和外环(箍)或者通过毂112b和外环112c连接并保持在一起。内环或毂包围中心体103并可围绕中心体103旋转。混合元件包括涡轮机外罩102的末端区域或端部，该混合元件的末端区域包括混合器瓣120a构成的环，混合器瓣120a向下游延伸超过转子叶片112a，并且其形状或尺寸是根据需要而变化的，以便填充涡轮机外罩102与喷射器外罩128之间的间隙，并将吸入的水传送到中心体103的附近。这与美国专利No.5,761，900中所示的喷射器瓣相似，其中混合器瓣120a向下游延伸并伸入喷射器外罩128的入口129。喷射器122还包括外罩128，外罩128的轴向长度上的部分可以是非圆形的并且围绕涡轮机外罩上的由混合器瓣120a构成的环。喷射器外罩128可以包括如图6所示的末端区域中形状和尺寸变化的混合元件。
如图2所示，中心体103可以通过定子环106(或其它装置)与涡轮机外罩102相连，以便消除常规的水流涡轮机和潮汐涡轮机中当涡轮机的叶片尾流撞击支撑塔时产生的有害、令人烦恼并且距离长传播的低频压力波。涡轮机外罩102和喷射器外罩128的空气动力学轮廓优选为空气动力学曲面，以下述方式增加通过涡轮机转子的流体：减少因上游扰动而导致的转子面处的流速中的竖直变动。
申请人已经计算出，为使优选实施例100的效率最佳，喷射泵122的面积比应在1.5到4.0之间，所述面积比的定义为喷射器外罩末端的横截面积除以涡轮机外罩102末端的横截面积。混合器瓣120a的数量应在6到14个之间。各个混合器瓣的内后缘角度和外后缘角度在5到25度之间。混合器瓣出口起始位置应该处于或靠近喷射器外罩128的入口位置或入口129。混合器瓣通道的高宽比在0.5到4.5之间。混合器穿过率在30％到80％之间。中心体103顶头的后缘角度小于或等于30度。整个系统100的长度与直径的比(L/D)在0.5到1.25之间。
一般来说，水流涡轮机能量转换系统包括：轴流式水流涡轮机100，其包括定子叶片108a和叶轮或转子叶片112，并且被具有空气动力学外形的涡轮机外罩102所围绕，该涡轮机外罩102在其末端区域或端部结合有混合元件120a；以及覆盖涡轮机外罩102尾部的单独的喷射器外罩128。喷射器外罩128也可以在其末端区域结合诸如混合器瓣119或混合器槽的先进的混合元件。位于喷射器外罩128的末端117的诸如瓣或槽119等混合零件的环118可以被视为混合/喷射泵，该混合/喷射泵提供了使水流和潮汐涡轮机系统100的工作效率持续超过贝兹极限的装置。
图2A示出了涡轮级104，该涡轮级104包括以可旋转方式安装在中心体103上的转子组件110，并被具有嵌入式混合元件120a的涡轮机外罩102围绕，该混合元件120a的后缘略微插入喷射器外罩128的入口平面。涡轮级104和喷射器外罩128与涡轮机外罩102在结构上连接，涡轮机外罩102本身就是主要的承载部件。
涡轮机外罩102的长度在某些实施方式中可以等于或小于涡轮机外罩102的最大外径。喷射器外罩128的长度在某些实施方式中可以等于或小于喷射器外罩的最大外径。中心体103的外表面可以具有空气动力学外形或者流体动力学外形，以使水流涡轮机系统100下游的水流分离效应最小化。中心体103可以长于或短于涡轮机外罩102或喷射器外罩128、或者涡轮机外罩102和喷射器外罩128的组合长度。
涡轮机外罩入口105的横截面积和涡轮机外罩末端115的横截面积可以等于或大于涡轮级104占据的环面的面积，但不必呈圆形，从而可以更好地控制水流源和其尾流的冲击。由中心体103和涡轮机外罩102的内表面之间的环面形成的内部流路的横截面呈空气动力学形状，从而在转子组件110的平面上具有最小面积，并且以其它方式从它们各自的入口平面到出口平面平缓地变化。涡轮机外罩102和喷射器外罩128的外表面具有空气动力学或者流体动力学形状，以帮助将水流导入涡轮机外罩入口105，消除在所述涡轮机外罩102和喷射器外罩128的表面上的水流分离，并将平稳的水流送入喷射器入口129。喷射器128的入口区域还可以是非圆形的，该入口区域的面积大于包括位于涡轮机外罩末端115的混合零件118的涡轮机外罩末端115的横截面积。喷射器外罩末端117的横截面也可以是非圆形的。
如图4A和图4B所示的功率输出装置130的实例可以呈轮状结构，该轮状结构将转子组件110的外缘或内缘与位于转子组件110的下方或上方的发电机(未示出)机械连接。如图4A和图5A所示的具有可旋转的联接器134的竖直支撑轴132能够以可旋转方式支撑水流涡轮机系统100，并且可以位于水流涡轮机系统100所承受的压力中心位置的前方，以便使水流涡轮机系统浸入在水流中时自对准。自移式的竖直舵136和基本水平的翼135(参见图7)分别固定在涡轮机外罩102和/或喷射器外罩128的上表面和下表面上，以稳定与不同的水流和潮汐流的对准方向，并在竖直移动期间提供引导。
水流涡轮机系统100可以在结构上由如图5A、图5B、图5C和图5D所示的诸如柱133、固定基座137、绳索138或者诸如驳船或浮舟的水上航行器139的其它系统支撑。
可以利用和优化可变混合元件的几何形状，以从如图6所示的旁通水流中最大地提取能量。如图6所示，混合元件140相对于穿过转子组件110的旋转轴线的平面可以是不对称的。
图7示出了控制舵135和翼136，以及可选的水流阻挡门140a、140b。阻挡门140a、140b可以通过联接件(未示出)旋转而进入流动水流中，从而在可能由于高流速对发电机或其它部件造成损害时减少或阻断通过涡轮机100的水流。图7D示出了水流涡轮机系统100的另一种可选变型。可以例如通过枢轴连接定子叶片而使定子叶片的出口倾角在原位上机械变化142，以便适应水流流速的变化，从而保证离开转子的水流中的残余涡流最少。
附加的替换变型可以包括：如图8A和图8B所示的敞开通道中心体144，其可以包括中心体混合元件145；如图8C所示的槽型混合器146；如图9A、图9B、图9C和图9D所示的包括碎屑变向装置147的中心体；以及如图10A和图10B所示的多重喷射器外罩148。
图11是示出根据本发明主题的实施方式的方法的处理流程图。在步骤1102中，将第一体积的水吸入具有涡轮机外罩内容积的涡轮机外罩中，转子组件的至少一部分设置在该涡轮机外罩内容积中。涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，涡轮机外罩入口设置为比转子组件更接近入口端，涡轮机外罩末端设置为比转子组件更接近出口端。涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件。在步骤1104中，引导第一体积的水通过转子组件，从而使转子组件旋转，并且在第一体积的水经由涡轮机外罩末端从涡轮机外罩以较低的能量排出之前从该第一体积的水中提取能量。在步骤1106中，将第二体积的水吸入具有喷射器外罩内容积的喷射器外罩中，涡轮机外罩的至少一部分设置在该喷射器外罩内容积中。喷射器外罩包括喷射器外罩入口和沿水流方向延伸超过涡轮机外罩混合元件的喷射器外罩末端。在步骤1110中，将第一体积的水和第二体积的水结合或混合成混合体积的水，然后将该混合体积的水从喷射器外罩末端排出。如上所述的其它结构特征可以包含在采用根据本发明主题的方法的结构中。
上述说明中列举的实施方式并不代表所有符合本发明主题的实施方式。而是，它们仅仅是与所述发明主题的相关方面相符合的一些实例。尽可能地，在所有的附图中使用相同的附图标记表示相同或相似的部分。尽管上面已经详细地说明了一些变型，但是还可以进行其它的修改或增添。具体而言，除了在此列举的特征和/或变型之外，可以提出其它的特征和/或变型。例如，从上述实施方式可以推出具有所公开的特征的各种组合和子组合和/或具有如上所公开的多个其它特征的组合和子组合。此外，在附图和/或说明中所描述的逻辑流程不需要按照所示出的特定的顺序或依次的顺序来达到理想的结果。其它实施例或实施方式可以包含在由所附权利要求的范围以内。

Claims (26)

1.一种涡轮机系统，所述涡轮机系统用于从相对于所述涡轮机系统沿引入水流方向运动的水中提取能量，所述涡轮机系统具有适于指向所述引入水流方向的入口端和与所述入口端相对的出口端，所述水具有跨所述涡轮机系统的所述入口端的不均匀的流速分布，所述涡轮机系统包括：
转子组件，其相对于旋转轴线是轴对称的，所述转子组件具有朝向所述入口端的上游转子面；
涡轮机外罩，其具有涡轮机外罩内容积，所述转子组件的一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中，所述涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，所述涡轮机外罩入口设置为比所述上游转子面更接近所述入口端，所述涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更接近所述出口端，所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件，所述涡轮机外罩入口适于将沿所述引入水流方向移动的第一体积的水导向所述转子组件，从而由所述第一体积的水使所述转子组件旋转，并且在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排出之前，从所述第一体积的水中提取能量；以及
喷射器外罩，其具有喷射器外罩内容积，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中，所述喷射器外罩包括喷射器外罩入口和喷射器外罩末端，所述喷射器外罩入口具有沿着穿过并垂直于旋转轴线的平面的不对称横截面，从而使所述喷射器外罩入口在穿过旋转轴线的平面的低流速部分的横截面面积大于在所述穿过旋转轴线的平面的高流速部分的横截面面积，所述喷射器外罩末端沿所述引入水流方向延伸超过所述涡轮机外罩混合元件。
2.如权利要求1所述的涡轮机系统，其中，所述喷射器外罩入口适于将沿所述引入水流方向移动的第二体积的水导入所述喷射器外罩内容积中，所述喷射器外罩内容积中包含有多个喷射器外罩混合元件，所述喷射器外罩混合元件使所述第一体积的水在通过所述喷射器外罩末端流出之前与所述第二体积的水进行混合。
3.如权利要求2所述的涡轮机系统，其中，所述涡轮机外罩和所述喷射器外罩的形状包括流体动力学曲面轮廓，使得在上游转子面上出现的速度梯度最小化，使得所述第一体积的水最大化，并使得所述第一体积的水在从所述喷射器外罩末端排出之前与所述第二体积的水的混合体积最大化，所述速度梯度是沿着所述上游转子面测量的。
4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮机系统，还包括中心体，所述转子组件围绕所述中心体旋转。
5.如权利要求4所述的涡轮机系统，其中，所述涡轮机外罩还包括定子组件，所述定子组件包括围绕所述中心体轴向排列的定子叶片。
6.如权利要求5所述的涡轮机系统，其中，所述定子叶片是可旋转的，以便通过增大或减小在所述引入水流方向上的敞开流动面积而调节所述第一体积的水。
7.如权利要求4所述的涡轮机系统，还包括变向装置，所述变向装置设置在所述中心体的前面，并且其被成形为能够借助惯性将到达上游转子面之前的所述第一体积的水中的悬浮碎屑和/或水生碎屑分离。
8.如权利要求4所述的涡轮机系统，其中，所述中心体包括下游端，所述下游端从所述中心体朝向所述涡轮机外罩末端突起，所述下游端包括一个或多个混合元件。
9.如权利要求4所述的涡轮机系统，其中，所述中心体包括中空腔。
10.如权利要求9所述的涡轮机系统，其中，所述中空腔适于使悬浮水生碎屑和/或水生物朝向所述涡轮机外罩末端通过所述中心体而不与所述转子组件相遇。
11.如权利要求9所述的涡轮机系统，其中，所述中空腔将高能量的旁通流体传递至所述喷射器外罩，以提高所述喷射器外罩内的混合性能。
12.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，其中，所述涡轮机外罩入口具有沿着穿过旋转轴线的平面的不对称横截面，从而使得所述涡轮机外罩入口在穿过所述旋转轴线的所述平面的低流速部分的横截面面积大于在穿过所述旋转轴线的所述平面的高流速部分的横截面面积。
13.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，其中，所述涡轮机外罩混合元件包括一个或多个混合器瓣和一个或多个混合器槽。
14.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，其中，所述转子组件包括转子毂、外转子环以及设置在所述转子毂和所述外转子环之间的径向取向的第一多个转子叶片。
15.如权利要求1所述的涡轮机系统，其中，所述喷射器外罩末端包括多个喷射器外罩混合元件。
16.如权利要求15所述的涡轮机系统，其中，所述喷射器外罩混合元件包括一个或多个混合器瓣和一个或多个混合器槽。
17.如权利要求15所述的涡轮机系统，其中，所述多个喷射器外罩混合元件沿着穿过所述旋转轴线的所述平面是不对称的，以及其中，位于穿过所述旋转轴线的所述平面的低流速部分的一个或多个所述喷射器外罩混合元件大于位于穿过所述旋转轴线的所述平面的高流速部分的一个或多个所述喷射器外罩混合元件。
18.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，其中，所述多个涡轮机外罩混合元件沿着穿过所述旋转轴线的所述平面是不对称的，以及其中，位于穿过所述旋转轴线的所述平面的低流速部分的一个或多个所述涡轮机外罩混合元件大于位于穿过所述旋转轴线的所述平面的高流速部分的一个或多个所述涡轮机外罩混合元件。
19.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，还包括第二喷射器外罩，所述第二喷射器外罩具有第二喷射器外罩内容积，所述喷射器外罩的至少一部分设置在所述第二喷射器外罩内容积中，所述第二喷射器外罩包括第二喷射器外罩入口和第二喷射器外罩末端，所述第二喷射器外罩入口具有沿着穿过所述旋转轴线的所述平面的不对称横截面，从而使得所述第二喷射器外罩在穿过所述旋转轴线的所述平面的低流速部分的横截面面积大于在穿过所述旋转轴线的所述平面的高流速部分的横截面面积，所述第二喷射器外罩末端沿所述引入水流方向延伸超过所述喷射器外罩混合元件。
20.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，其中，所述喷射器外罩和涡轮机外罩混合元件包括混合-喷射泵，所述混合-喷射泵增大所述第一体积的水流经所述涡轮机外罩并且穿过所述转子组件的速率。
21.如权利要求1至3和权利要求5至6中任一项所述的涡轮机系统，其中，所述涡轮机外罩入口包括一个或多个可移动的门元件，可对所述可移动的门元件进行操作以增大或减小流经过所述转子组件的所述第一体积的水。
22.一种从相对于涡轮机系统沿水流方向运动的水中提取能量的方法，所述涡轮机系统具有适于指向引入水流方向的入口端和与所述入口端相对的出口端，所述水具有跨所述涡轮机系统的所述入口端的不均匀的流速分布，所述方法包括：
将第一体积的水吸入具有涡轮机外罩内容积的涡轮机外罩中，转子组件的至少一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中；所述涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，所述涡轮机外罩入口设置为比所述转子组件更靠近所述入口端，所述涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更靠近所述出口端，所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件，
引导所述第一体积的水通过所述转子组件，从而使所述转子组件在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排出之前，从所述第一体积的水中提取能量；
将第二体积的水吸入具有喷射器外罩内容积的喷射器外罩中，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中，所述喷射器外罩包括喷射器外罩入口和喷射器外罩末端，所述喷射器外罩末端沿所述水流方向延伸超过所述涡轮机外罩混合元件；以及
将所述第一体积的水和所述第二体积的水混合成混合体积的水，然后将所述混合体积的水从所述喷射器外罩末端排出。
23.如权利要求22所述的方法，其中，所述喷射器外罩末端包括喷射器外罩混合元件，所述喷射器外罩混合元件相对于穿过并垂直于旋转轴线的平面是不对称的，从而位于穿过所述旋转轴线的平面的低流速部分的所述喷射器外罩混合元件中的至少一个大于位于穿过所述旋转轴线的平面的高流速部分的所述喷射器外罩混合元件中的至少一个。
24.如权利要求22或23所述的方法，其中，所述喷射器外罩入口相对于穿过所述旋转轴线的平面是不对称的，从而使得所述喷射器外罩入口在穿过并垂直于所述旋转轴线的平面的低流速部分的横截面面积大于在穿过所述旋转轴线的平面的高流速部分的横截面面积。
25.一种涡轮机系统，所述涡轮机系统用于从相对于所述涡轮机系统沿引入水流方向运动的水中提取能量，所述涡轮机系统具有适于指向所述引入水流方向的入口端和与所述入口端相对的出口端，所述水具有跨所述涡轮机系统的所述入口端的不均匀的流速分布，所述涡轮机系统包括：
转子组件，其相对于旋转轴线是轴对称的，所述转子组件具有朝向所述入口端的上游转子面；
涡轮机外罩，其具有涡轮机外罩内容积，所述转子组件的一部分设置在所述涡轮机外罩内容积中，所述涡轮机外罩包括涡轮机外罩入口和涡轮机外罩末端，所述涡轮机外罩入口设置为比所述上游转子面更靠近所述入口端，所述涡轮机外罩末端设置为比所述转子组件更靠近所述出口端，所述涡轮机外罩末端包括多个涡轮机外罩混合元件，所述涡轮机外罩混合元件沿着穿过并垂直于所述旋转轴线的平面是不对称的，从而位于穿过所述旋转轴线的所述平面的低流速部分的所述涡轮机外罩混合元件中的至少一个大于位于穿过所述旋转轴线的所述平面的高流速部分的所述涡轮机外罩混合元件中的至少一个，所述涡轮机外罩入口适于将沿所述引入水流方向移动的第一体积的水导向所述转子组件，从而由所述第一体积的水使所述转子组件旋转，并且在所述第一体积的水经由所述涡轮机外罩末端从所述涡轮机外罩以较低的能量排出之前，从所述第一体积的水中提取能量；以及
喷射器外罩，其具有喷射器外罩内容积，所述涡轮机外罩的至少一部分设置在所述喷射器外罩内容积中，所述喷射器外罩设置成邻接所述涡轮机外罩，所述喷射器外罩包括喷射器外罩入口和喷射器外罩末端，所述喷射器外罩末端沿引入水流方向延伸超过所述涡轮机外罩混合元件。
26.如权利要求25所述的系统，其中，所述喷射器外罩末端包括多个喷射器外罩混合元件，所述喷射器外罩混合元件沿着穿过所述旋转轴线的平面是不对称的，从而位于穿过所述旋转轴线的所述平面的低流速部分的所述喷射器外罩混合元件中的至少一个大于位于穿过所述旋转轴线的所述平面的高流速部分的所述喷射器外罩混合元件中的至少一个。
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