CN102112735B - 用以增大流体涡轮机中流体速度的设备 - Google Patents
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Abstract
一种能够增加流体速度且因此增加流体涡轮机的旋转速度的流体涡轮机设备。该流体涡轮机设备具有会聚部分、流体涡轮机部分和发散部分。流体通过会聚部分进入流体涡轮机，穿过流体涡轮机并通过发散部分流出。会聚部分和发散部分的组合形成了文丘里效应，并增加了流体速度，因此增加了进入涡轮机的用于增加由涡轮机提取的能量的能量密度。
Description
技术领域
本发明主要涉及涡轮机，且更特别地，涉及用于增加流体速度且因此增加由流体涡轮机产生的能量的量的设备。
背景技术
全球都对可替换能源特别是风能的发展感兴趣。已经长时间在研究通过利用经过的风使轴旋转而开发利用空气中“自由”的能量以产生有用功的想法。然而，在过去的数年期间，对化石燃料或矿物燃料的有限供应和飞涨的能量成本的认知大体上已经形成了风力涡轮机的复兴，它们都试图以足够的效率从经过的空气中提取能量，以构成实际的电源和机械动力源。
以其最简单的形式，风力涡轮机包括轴，所述轴携带捕获风并使轴旋转的叶片或其它装置，从所述轴产生机械动力或电力。在给定的限制内，轴旋转的速率大体与作用在轴的转动体上的风的速度和所产生的能量的量成比例。对于给定的风速和给定的载荷，轴旋转得越快，风能转换成机械能或电能的效能就越大。
因此，已经具有增加风产生机械的效率(efficience)的方法，以便增加给定风速下工作轴的旋转效率。
由风力涡轮机产生的电力通常传递相当长的距离到达人口中心，其中的一个原因是人们通常居住在其中风力资源较节制的遮蔽地形。这种区域中较弱集中的风能降低了在采用常规风力涡轮机捕获能量背后的经济效果。
多篇技术论文解决了这些问题并覆盖1978和2006之间的时期。多篇专利文献采用措词“文丘里管(Venturi)”描述在这些专利文献中采用的用于改善涡轮机功率输出的机构。这些专利文献主要覆盖液压应用，并且除了利用扩散器和宽边进口的风力涡轮机的日本专利申请之外没有提供任 何性能数据。
用于提高风力涡轮机性能的扩散器的应用从二十世纪七十年代早期就已经开始了。这种技术产生缩写DAWT或扩散器辅助的风力涡轮机。在大多数的研究中，最大的风力增大已经是240％的风速增大。这是采用长度与直径之比(L/D)为4.5至1的扩散器获得的。最新的现代涡轮机具有非常大的90米量级的直径。240％的风速增加将允许用户使用较小的大约45米的转动体。然而，所要求的扩散器的长度将是不切实际的202.5米(45米×4.5＝202.5)。
因为三叶片水平轴风力涡轮机(HAWT)是世界上容易接受的风力产生技术，很明显，这种类型的涡轮机将用在任何DAWT应用或试验中。事实上，已经采用HAWT进行了用于以产生电力为目的标注日期的大多数的证明试验工作。两篇论文涉及使用萨伏纽斯(Savonius)转子。尽管接受HAWT，但申请人没有发现任何有关用于任何HAWT应用的采用会聚、管道式或冲压式涡轮机隧道和发散的任何试验的文献。很明显，可以知道很少有工作或没任何工作来实施发展新一代的将在增大的流体流方面比HAWT或萨伏纽斯涡轮机好地运行。
尽管对可再生风能存在对巨大的世界需求，但无论是扩散器增强(diffuser-augmented)、会聚式增强(convergent-augmented)还是缩放式增强涡轮机(convergent-divergent augmented)都不存在任何商业应用。原因相当简单。至今，已经多得多的成本效率来来增加转子的扫掠面积(swept area)以提高功率输出，而不是使用增强装置(augmentation device)来增加风能密度和采用较小直径的转子。作为这种陈述的推论，可以补充说，没有人将风能密度增加到足够高，以证明采用增强装置和较小的涡轮机转子是正确的。
第一篇已知的现有技术文献可在Griffith大学网站上获得，是1988的题目为″Evaluation of self starting vertical axis wind turbines for standalone applications″的论文。尽管进行了详尽的文献查看，但都没有文献采用会聚/发散来增强VAWT性能，也没有提及采用扩散器或涡轮机管道来提高性能。垂直轴线风力涡轮机可能是又一个最常规的商用风力涡轮机。将会看到，每个人都认为，如果增强技术将不与HAWT一起工作，则增强技术将不会与任何其他类型的涡轮机一起工作。自从公开该论文，作者和其他人已经在用于液压应用的DAWT上继续工作，但他们再次使用扩散器和没有会聚部分的宽边进口。
第二篇已知的现有技术文献为2004年的来自足利技术协会(AshikagaInstitute of Technology)的名称为″Wind Tunnel Analysis of concentrators forAugmented Wind Turbines″的″风力工程(Wind Engineering)″学述论文。摘要第三行公开了：″However most of the studies of the ducted rotor concern theeffect of the diffuser while little research has been done concerning theconcerning the concentrator(nozzle).This paer analyses the effect of theconcentrator and its optimum design″(然而，大多数管道式或冲压式转子研究关注扩散器的影响，而很少研究关注集中器(喷嘴)。本文分析集中器的影响及其优化设计)。可以看到，在这项工作中，没有谈及扩散器，且风力涡轮机为标准的HAWT。
第三篇已知的现有技术文献为于1978出版的″Journal of Energy″、名称为″Fluid Dynamics of Diffuser-Augmented Wind Turbines″的论文。GilbertBL、Oman RA和Foreman KM的该篇论文描述了在DAWT的研发上进行的开创性工作。写这种主题的任何人通常将这篇论文包括为参考文献。在摘要中，公开了“The first generation of DAWT can provide about twice thepower of a conventional WECS with the same turbine diameter and wind”(这种第一代DAWT采用同样的涡轮机直径和风力可以提供约为常规WECS两倍的功率)。在此早期阶段，没有使用集中器(concentrator)或管道。使用了常规HAWT。这项工作在HAWT的直径比今天的HAWT的直径小很多时结束，因为不能利用今天所使用的合成材料。在二十世纪八十年代，产生了一个公司采用这种技术。当或多或少的人相信未来是大直径非增强涡轮机时该公司破产了。
第四篇已知的现有技术文献为1988年出版的来自″13th AustralianFluid Mechanics Conference″、名称为″Computational Modelling of DiffuserDesigns for a Diffuser Augmented Wind Turbine″的论文。在该论文中呈现的工作是采用宽边进口(brimmer inlet)、扩散器和HAWT完成的。
第五篇已知的现有技术文献为印度技术协会(Indian Institute ofTechnology)的CES于2005年在″International Journal of Energy″中公开的、名称为″Air concentrating nozzles：A promising option for Wind Turbines″的论文。在该论文的结论部分，在411页倒数第二段，公开了″The greatestpercentage improvement in the static torque by the use of the convergentnozzles occurs at low wind speeds(通过会聚喷嘴实现的静转矩的最大比例的改进是在低风速时出现的)″。这不是可接受的结果，因为用以产生在较高的风速条件下可获得的等量功率所要求的大尺寸设备将是不经济的。研究者没有利用发散或管道式或冲压式涡轮机隧道，并且试验是在非常低的风速下进行的。
第六篇已知的现有技术文献为1978年在″Second InternationalSymposium on Wind Energy Systems″中由伊朗的Pahvali大学公开的、名称为″Power Augmentation in aducted Savonius rotor″的论文。在结论中，第一段公开了″Several ductings，concentrators and diffusers are examined and theireffects on the performance characteristics of a split S Savonius rotor arepresented in this paper(检查了多种管道、集中器和扩散器，并在本文中论述了它们对分列式S萨伏纽斯转子的性能的影响)″。在引言中，在位置i，还公开了″while concentrators of the type(a)in figure 2 are quite ineffective，those of the type(b)in the same figure yield considerable improvement in therotor performance(虽然图2中的(a)类型的集中器是非常无效的，同一图中的其它类型的集中器在转子性能方面产生了相当大的改进)″。该报告的结论是，一个会聚部分和两个发散部分是所使用的萨伏纽斯涡轮机的最有效组合。还推论出，集中器应当偏移管道式或冲压式隧道的中心线。然而，目前的试验工作显示出，不会出现即使是极小的实际应用去采用一个会聚部分和两个发散部分。人们会注意到，性能的改进与气流的碰撞而不是与会聚部分和发散部分本身的性能有关系更加相关。
第七篇已知的现有技术文献为由日本Kasuga的九州大学于2006在″Trans Japan Society for Aeronautical Space Science″中公开的、名称为″Development of a High Performance Wind Turbines Equipped with aBrimmed Diffuser Shroud″的论文。该论文公开了下述内容(第19页的第二 段#1和最后一行)：
3.1作为基本形式的扩散器型结构的选择
″We examined the flow of three typical hollow structures as shown infigure 2 namely a nozzle-type model that reduces the inside cross section，acylindrical-type model that has a constant inside cross section and a diffusertype model that expands the inside cross section downstream.
As seen in figure 4(a)the wind tends to avoid the nozzle type model whilethe wind flows into the diffuser type model as it is inhaled as seen in figure4(b).″(我们分析了如图2所示的三种典型的中空结构(即降低内部横截面的喷嘴型模型、具有恒定的内部横截面的圆筒型模型和在下游扩大内部横截面的扩散器型模型)的流量。
如图4(a)中可见，风倾向于绕开喷嘴型模型，同时如在图4(b)中看可见，风在它被吸入时流入扩散器型模型)。
本质上，该工作认为，喷嘴和会聚部分不应当用作增强装置。这与一些目前由申请人完成的实验部分工作的发现相反。
“3.2 Improvement of acceleration performance of the diffuser structure byadding peripheral appendages(the first line of the second paragraph and thelast paragraph of page 20)：
As a result of several attempts it was found that wind speed is increasedby adding an appropriate entrance(called an inlet shroud)and a ring typeflange at the exit periphery(called a brim，see figures 8，9，11 and 12)to thediffuser body.The effect of the inlet shroud is found in the following point.Itrestrains flow separation at the entrance fairly well and the wind flows in moresmoothly.″
(3.2通过添加外围附近对扩散器结构加速性能的改进(第20页第二段的第一行和最后一段)：
作为多次尝试的结果，发现通过将合适的进流部分(称为进口护罩)和出口周围处的环型凸缘(称为边缘，参见图8，9，11和12)添加至扩散器本体，增加了风速。在接下来的位置中发现进口护罩的效果。它非常恰当地抑制了进口处的流动分离，且风更平缓地流动)。
这意味着进口护罩用来通过降低进口嘴周围的流动分离来最小化进口处的压头损失(head loss)，因为它不增加静压力，因此不是增强装置。喷嘴和会聚部分为扩张装置，因为它们设计为增加静压力。
申请人知道的其它现有技术专利文献包括US7,094,018、US2007/0020097A1、EP0935068A2、GB2430982A和US6,756,696B2。
本发明的目标本发明的第一个目标是提供一种用于增加由流体涡轮机产生的能量的设备。
本发明的第二个目标是提供一种增加进入流体涡轮机的流体的流体速度的且因此增加进入涡轮机的能量密度的设备。
本发明的另一个目标是提供一种在具有相对低的流体或风速的区域可用的流体涡轮机设备。
一旦理解将被描述的或将在随附的权利要求中表示的图示性实施方式，本发明的其它和进一步的目标和优点将是明显的，并且一旦实际应用本发明，本领域技术人员将想到在此未涉及的各种优点。
发明内容
本发明的目标是提供一种解决上述目标中的至少一个的设备。
本发明的上述和其它目标大体通过提供一种涡轮机设备而实现，该涡轮机设备用于与流体涡轮机一起使用以增加接触所述流体涡轮机的流体速度，所述流体涡轮机设备包括：
会聚部分，所述会聚部分包括进口和出口，所述进口具有大于所述出口的面积，所述会聚部分具有第一比率，第一比率为进口面积除以出口面积；
流体涡轮机部分，靠近所述会聚部分的所述出口，所述流体涡轮机部分包括所述流体涡轮机；
发散部分，靠近所述流体涡轮机部分，所述发散部分包括进口和出口，所述进口具有小于所述出口的面积，所述发散部分具有第二比率，第二比率为出口面积除以进口面积；
其中流体通过所述会聚部分进入，并通过所述发散部分流出，并且其 中所述流体涡轮机设备具有第三比率，第三比率为所述发散部分的所述出口面积除以所述会聚部分的进口面积。
流体涡轮机设备的会聚部分限定为具有大于其出口的进口的部分。会聚部分的出口与流体涡轮机部分的进口接触。选择会聚部分的长度和结构，以便最小化由流动加速引起的损耗流头，并使得会聚部分出口处的速度分布均匀，以便在流体涡轮机部分的进口处形成加压。
发散部分定义为具有小于其出口的进口的部分。会聚部分、流体涡轮机部分和发散部分的组合必须是使得产生文丘里效应。文丘里效应源自伯努利原理和连续方程的结合。事实上，通过流体涡轮机部分的流体速度必须增加，以满足连续方程，同时其压力由于能量守恒而必须降低。通过流体涡轮机部分的流体速度由于作用在流体涡轮机部分的上风侧上的压力而增大，并且作用在下风侧上的压力降低，因为流体发散地离开流体涡轮机部分。
用来比较会聚部分和发散部分的参数为所述第一比率、第二比率和第三比率。第一比率为会聚部分的进口面积与出口面积之比。第二比率为发散部分的出口面积与进口面积之比。第三比率为发散部分的出口面积与会聚部分的进口面积之比。还存在关于会聚部分和发散部分长度的优选比率，即第四比率和第五比率。第四比率为会聚部分的长度与会聚部分的最大宽度或最大高度之比。第五比率为发散部分的长度与发散部分的宽度之比。
已经确定，第一比率优选大于1.5，更优选大于2.25。重要的是在会聚部分的进口和流体涡轮机的进口之间获得压力差，以最大化产生的文丘里效应。
已经确定，第二比率优选大于4.0。已经确定，第三比率优选在1.5和10之间，更优选在1.5和6.5之间。
已经确定，第四比率优选在0.5和2.5之间。第五比率优选在1.0和4.0之间。发散部分的长度优选长于会聚部分的长度。
在优选的实施方式中，会聚形状由伯杰理论以及拐点和长度给出，以便最小化损失压头，并使会聚出口处的速度分布均匀。
不同部分的剖面的形状可以改变(圆形、矩形等)。然而，发散部分的 剖面的形状优选应当类似于流体涡轮机部分的出口的剖面形状，以在发散部分中维持层流。
将注意到，流体涡轮机部分可以具有不同于发散部分和/或会聚部分的形状。在这种情况中，过渡部分安装在流体涡轮机部分和发散部分和/或会聚部分之间，以保持层流。
在其它实施方式中，会聚部分包括彼此平行的两个平的壁和弯曲以形成缩窄或颈缩的另外两个壁。
发散部分的多个壁和流体涡轮机设备的纵向轴线之间的角度应当选择为，以便防止流体失速。失速是空气动力学或气体动力学中的情况，其中相对进入流体和流体在其上流动的表面之间的角度增大超过某个点之上使得流体停止沿着所述表面的轮廓(在该情况中为发散部分的壁)。优选的是在发散部分内维持层流，因为该部分中的湍流将降低流体速度，因此降低流体涡轮机的效率。湍流出现的角度称为临界角。临界角取决于发散部分的表面的轮廓和几何尺寸。临界角可以变化，但优选相对于进入流体大于8度且小于30度。将注意到，发散部分的不同的壁不需要一直处于相对于流体涡轮机设备的纵向轴线相同的角度，但都应当在前述参数范围内。
在另一种实施方式中，会聚部分的进口和发散部分的出口包括用于最小化进口损失和出口损失的面板。为了最小化进口损失和出口损失，面板优选应当具有平滑轮廓，并且与流体涡轮机设备相切。平滑轮廓涉及不具有陡沿的轮廓。
流体涡轮机部分优选仅稍微大于流体涡轮机的整体尺寸，以便推动流体穿过流体涡轮机，且不围绕流体涡轮机。流体涡轮机部分的内壁和流体涡轮机之间的间距优选刚好是所需要的间距，使得流体涡轮机不接触所述壁并允许流体涡轮机无阻力地旋转。实际上，如果在流体涡轮机和流体涡轮机部分的壁之间保持较大的间距，则一部分流体将经过阻力较小的地方，或围绕流体涡轮机，因此降低其效率。
在另一种实施方式中，整个流体涡轮机设备的方位可以旋转，使得流体涡轮机设备的纵向轴线平行于流体的实际流动。这种旋转允许维持对齐会聚部分的平行于主流体方向的中心线。流体涡轮机部分、会聚部分和发 散部分安装在一起，作为围绕中心轴线旋转360度的一个组件。例如，流体涡轮机设备可以位于连接至能够旋转的机构的支撑件上。该机构可以包括轮子、辊等，其位于流体涡轮机设备和支撑件之间，遵循圆形轨迹且可能被机动化以维持精确的定位。在高速流体条件中，流体在会聚部分的壁上的压力足以将单元保持平行于流体对齐。该流体设备可以安装在塔架或屋顶上。将注意到，在本文献中详细说明的例子的其它装置可以设置成，使得流体涡轮机设备以确保流体涡轮机设备的纵向轴线平行于流体的实际流动的方式旋转。
流体涡轮机设备的材料应当足够坚固，以支撑其自身重量。材料或材料的组合例如为金属、合成物或聚合物。流体涡轮机设备例如可以由铝制成，并且包括由钢制成的结构加强装置。结构加强装置可以用来支撑流体涡轮机设备。
取决于涡轮机的期望容量，会聚部分和发散部分的尺寸可以相当大。它们的重量和由流体抵靠壁产生的作用力的大部分由中央塔架和线缆结构支撑。塔架为组件的一部分，并与组件一起旋转，以保持会聚部分面向流体。塔架和线缆组件的整体外观类似于围绕中间旋转的吊桥的一段。
优选地，流体涡轮机为风力涡轮机、水轮机或蒸汽轮机。
因此，较小的风力涡轮机设备可以安装在屋顶上和/或靠近居民中心。
本发明的风力涡轮机设备可以用在多种环境，甚至用在不具有高速风的地方。本发明的风力涡轮机设备产生比通常的风力涡轮机少的噪声，因为风力涡轮机包封在风力涡轮机设备中。因此，能够靠近居民区安装本发明的风力涡轮机设备。可行的是将该风力涡轮机设备安装在建筑物的屋顶上。
在另一种实施方式中，风力涡轮机部分可以包括多于一个的涡轮机。将注意到，每个辅助风力涡轮机可用的能量很少，事实上，风力涡轮机出口处的风速比进口处的小。如果多个风力涡轮机包括在风力涡轮机部分中，则应当认真地选择风力涡轮机设备的特性，以便仍然存在在风力涡轮机上产生的文丘里效应。
本发明的据信是新颖的特征特别在随附的权利要求中提出。
附图说明
一旦阅读了详细说明并参照附图，本发明的这些和其它目标和优点将变得明显，在附图中：
图1为流体涡轮机设备的示意图。
图2为本发明的示出流体的方向和计算面积的位置的示意性剖视图。
图3a至3c为图示流体涡轮机设备的参数的透视图、顶视图和侧视图。
图4为示出安装在支撑板并由塔架支撑的流体涡轮机设备的透视图。
图5为流体涡轮机设备的另一种实施方式的透视图。
图6为包括进口面板和出口面板的流体涡轮机设备的实施方式的透视图。
虽然将结合示例性实施方式描述本发明，但将会理解，目的不是要将本发明的范围限制到这种实施方式。相反，目的是涵盖可以被包括的如由随附的权利要求限定的所有替换、修改和等同物。
具体实施方式
在接下来的描述中，附图中类似的特征已经给出相同的附图标记，并且为了简化图示，一些元件如果它们已经在之前的图中示出了，则在部分图中将不涉及它们。
以下将描述新颖的流体涡轮机设备。虽然根据特定的说明性实施方式描述本发明，当将会理解，在此描述的实施方式仅是举例的方式，并且不是要由此限制本发明的范围。
图1示出了流体涡轮机设备100的主要部分，它们为会聚部分102、流体涡轮机部分104和发散部分106。如图2所示，流体(由箭头图示)通过会聚部分102进入流体涡轮机设备100，并在发散部分106的末端流出。流体流过流体涡轮机108。
在非限制性的下述例子中描述本发明的四种实施方式，它们是在风洞中执行的模拟。
下文描述的例子在海平面处运行的闭合回路的低速冷却(refrigerated)风洞中执行。实现模拟的风洞测试部分为0.914米宽×0.762米高。模拟期间的温度设为环境温度，20℃。这些示例使用的风速为8m/s(米/秒)。
在每个例子中，在模拟期间在风力涡轮机部分204的进口处和会聚部分202的入口处测量静压力。在每次模拟期间将压力传感器设置在这些位 置的每一个处。采用静压力和伯努利方程计算风力涡轮机部分204的进口处的平均风速。
为了确定流体涡轮机设备的效果，采用流体涡轮机设备而不是流体涡轮机执行模拟。因此，能够将具有流体涡轮机与不具有流体涡轮机情形进行比较。为了评估风力涡轮机部分的风增强比，将计算的风力涡轮机部分(如图2所示)的风速与冷却风洞测试部分中的风速进行比较。
实现模拟的流体涡轮机部分的尺寸在下表1中示出。用于模拟的流体涡轮机为垂直轴线涡轮机(参见表2)。该流体涡轮机由3175mm厚的两个铝盘和在所述铝盘之间延伸的921cm长的三个木质叶片构成。叶片具有对称的机翼形状，技术上已知为NACA 0015轮廓，其中叶片厚度为叶片弦(blade chord)的15％。
表1-风力涡轮机部分的特性
| 单位 | 风力涡轮机部分 | |
| 高度 | cm | 1016 |
| 宽度 | cm | 2985 |
| 长度 | cm | 3838 |
| 面积 | cm2 | 30323 |
表2-风力涡轮机的一个实施例的特性
| 单位 | 涡轮机 | |
| 高度 | cm | 9.84 |
| 直径 | cm | 29.21 |
| 类型 | -- | NACA 0015 |
| 弦 | cm | 5.08 |
| 叶片 | -- | 3 |
如本领域技术人员将会理解的那样，多种类型的风力涡轮机可以与本发明的装置一起使用，例如，水平轴线风力涡轮机或垂直轴线风力涡轮机。此外，对于每个风力涡轮机，可以使用不同的组合，例如不同数量和/或构造的叶片、风力涡轮机部分和风力涡轮机之间的间距等。
如本领域技术人员将会理解的那样，会聚部分和发散部分的参数可以不同于在本文献中示出的例子。类似地，风力涡轮机部分可以根据与风力涡轮机设备一起使用的风力涡轮机的不同而不同。
接下来的例子采用两种类型的会聚部分和两种类型的发散部分，它们的特性在表3至6中详细列出。图3a至3c示出了会聚部分和发散部分的参数。会聚部分具有长度160、宽度162和高度164。发散部分具有长度150、宽度152、高度154、垂直角158和水平角156。
表3-会聚部分的第一实施方式(也称为C2)的特性
表4-会聚部分的第二实施方式(也称为C3)的特性
表5-发散部分的第一实施方式(也称为D2)的特性
表6-发散部分的第二实施方式(也称为D3)的特性
实施例1
在该第一实施例中，C2会聚部分与D3发散部分一起使用。第一比率为2.25，第二比率为14.59，第三比率为6.48。会聚部分102的进口和风力涡轮机部分104之间的速度增大2.06倍，风力涡轮机的旋转为418rpm (转每分钟)。
实施例2
在第二实施例中，C3会聚部分与D3发散部分一起使用。第一比率为3，第二比率为14.59，第三比率为4.86。会聚部分102的进口和风力涡轮机部分104之间的速度增大2.21倍，风力涡轮机的旋转为431rpm(转每分钟)。
实施例3
在该第三实施例中，C2会聚部分与D2发散部分一起使用。第一比率为2.25，第二比率为11.69，第三比率为5.18。会聚部分102的进口和风力涡轮机部分104之间的速度增大1.67倍，风力涡轮机的旋转为300rpm(转每分钟)。
实施例4
在该最后一个实施例中，C3会聚部分与D2发散部分一起使用。第一比率为3.00，第二比率为11.69，第三比率为3.90。会聚部分102的进口和风力涡轮机部分104之间的速度增大1.76倍，风力涡轮机的旋转为428rpm(转每分钟)。
在图4中，风力涡轮机设备200的风力涡轮机部分210设置在支撑件202上。支撑件202安装在支腿204上。旋转机构(未示出)位于风力涡轮机部分210和支撑板202之间，允许风力涡轮机设备200旋转。图4中示出的实施方式还包括塔架206和线缆208。
图5图示了会聚部分202的另一种实施方式。后者包括两个平坦的壁204和两个曲面壁206。
现在参照图6，流体涡轮机设备还包括分别连接至会聚部分210和发散部分212的进口面板214和出口面板216。
所要求保护的发明基于在航空领域资深的专家在大学研究风洞中进行的实验工作。该工作现在允许确定会聚部分和发散部分组件的构造，所述会聚部分和发散部分尺寸形成为伴随着在能量密度增强方面的优化结 果而实现功能。
这种工作要求确定会聚部分和发散部分的进口表面和出口表面之间的比。这些比的优化依次使得涡轮机转子的表面处的气流的能量密度得到明显的额外增强。在流体能量密度增强方面获得试验结果比至今的文献的那些高很多。
通过作为所要求保护的发明的基础或原理的″会聚-管道式或冲压式涡轮机部分-发散″优化该组件的相对尺寸构造以使得流体流的能量密度(流体质量速度)增强的最大化。申请人认为，该工作的结果将带来新一代的增强的风力涡轮机。
会聚-发散部分的总的效率方面的改进的效果之一是采用很短的发散部分提供出色的结果。单独采用扩散器进行的许多试验工作已经导致扩散器长度长太多而不能在商业上实际用于增强式涡轮机。事实上，在任何给定风速的条件下的发电的改进现在足以使得它能够成本有效地使用增强的较小直径的转子以比非增强式涡轮机便宜的成本产生电能。
虽然伊朗的研究者在1978年已经完成了采用如上所述的会聚-管道式或冲压式萨伏纽斯涡轮机-发散的一些工作，但这种类型的转子不适于发电。转子的端速太低，因为它以风的速度在隧道中转动，且在低速条件下发展的高扭矩使得它更适合涉及泵送流体的应用。
术语″发散部分″，而不是扩散器，被用来描述将管道式或冲压式涡轮机部分的出口连接至大气的设备，同时前述涡轮机部分的进口由会聚部分加压。扩散器连接至管道式或冲压式涡轮机部分，该管道式或冲压式涡轮机部分可以包括或不包括宽边进口(brimmed entrance)并且是非加压的。这意味着，在扩散器的情形中，转子表面处的最大气压等于或小于由风提供的名义静压头。
如提及的那样，发散部分平行于用来给管道式或冲压式涡轮机部分的进口加压的会聚部分而操作。同样，转子表面处的静压头高于由风提供的名义静压头。会聚部分和发散部分都设计为最小化其各自的长度范围内的边界层损耗，这依次使得在增加涡轮机转子处的气流的能量密度方面的效果最大化。
在增强装置的情形中，喷嘴为直壁式的或曲面壁式装置，其降低其长 度范围内的横截面面积。边界层分离和会聚部分尺寸与发散部分尺寸之比通常不是重要的设计因素。如图所示，通过之前的研究结果，这种设计标准的缺乏常导致一种阻塞至涡轮机转子的气流的喷嘴。它不是增加转子静压头，相反是降低它。
这种效果在申请人的实验结果中非常好地展示。在第一系列测试中，会聚的尺寸保持恒定。当会聚进口区域的尺寸从管道式或冲压式隧道进口尺寸的3.0倍增加5.8倍时，系统的性能从2.85的风增强比降低至2.40的比。
在一些情况中，在上述现有技术的技术论文中，增强机构由与扩散器一起使用的宽边进口构成。宽边进口用来降低由于进入效应引起的静压力损失。它不能将转子处的静压力增加到从风中可获得的以上。为此原因，宽边进口不被认为是增强装置，而是喷嘴或会聚部分。
流量文丘里管的原理已经存在几个世纪了，并且是经常用于流量测量的机构。用于测量的流量文丘里管的基本元件是会聚部分、管道式或冲压式隧道和发散部分。在测量装置的情况中，流态几乎总是由机械装置(泵、风扇、压缩机等)加压，并且通过文丘里管的能量密度的最大的增加不是关键的操作元素，当在发电应用试验时，不将它们设计用于低静压头。
在从提供低静压头的流体流发电的情况中，会聚部分和发散部分的本质作用是最大化管道式或冲压式涡轮机部分中的流体能量密度。最大能量密度的产生要求在下文中要求保护的会聚-管道式或冲压式涡轮机通道和扩散之间具有某种尺寸构造或比率。
虽然已经在此详细描述并在附图中图示了本发明的优选实施方式，但将会理解，本发明不限于这些精确实施方式，在不偏离本发明的范围或精神的前提下可以径向各种改变和修改。
Claims (16)
1.一种涡轮机设备，用于与至少一个流体涡轮机一起使用以增大接触所述流体涡轮机的流体速度，所述涡轮机设备包括：
会聚部分，所述会聚部分包括进口和出口，所述进口具有大于所述出口的面积，所述会聚部分具有第一比率，所述第一比率为进口面积除以出口面积；
流体涡轮机部分，靠近所述会聚部分的所述出口，所述流体涡轮机部分包括所述至少一个流体涡轮机；
发散部分，靠近所述流体涡轮机部分，所述发散部分包括进口和出口，所述进口具有小于所述出口的面积，所述发散部分具有第二比率，所述第二比率为出口面积除以进口面积；
其中，流体通过所述会聚部分进入并通过所述发散部分流出，并且其中所述涡轮机设备具有第三比率，所述第三比率为所述发散部分的所述出口面积除以所述会聚部分的所述进口面积，并且其中所述第一比率大于1.5，所述第二比率大于4.0，且所述第三比率在1.5和10之间。
2.根据权利要求1所述的涡轮机设备，其中所述会聚部分具有长度和宽度，并且其中所述涡轮机设备具有第四比率，所述第四比率为所述会聚部分的所述长度除以所述会聚部分的所述宽度，所述比率在0.5和2.5之间。
3.根据权利要求1所述的涡轮机设备，其中所述发散部分具有长度和宽度，并且其中所述涡轮机设备具有第五比率，所述第五比率为所述发散部分的所述长度除以所述发散部分的所述宽度，所述比率在1.0和4.0之间。
4.根据权利要求2所述的涡轮机设备，其中所述发散部分具有长度和宽度，并且其中所述涡轮机设备具有第五比率，所述第五比率为所述发散部分的所述长度除以所述发散部分的所述宽度，所述比率在1.0和4.0之间。
5.根据权利要求1所述的涡轮机设备，其中所述会聚部分具有长度且所述发散部分具有长度，所述发散部分的长度大于所述会聚部分的长度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，其中，在使用中，在所述会聚部分的所述出口处的流体速度分布是均匀的。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，其中涡轮机设备的纵向轴线和所述发散部分的每个壁之间的角度在8度和30度之间。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，其中所述会聚部分包括平坦且彼此平行的两个壁和弯曲以形成缩窄或颈缩的另外两个壁。
9.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，还包括靠近并与所述会聚部分相切的进口面板。
10.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，还包括靠近并与所述发散部分相切的出口面板。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的涡轮机设备，其中所述涡轮机设备包括纵向轴线，并且所述风力涡轮机设备能够旋转使得所述纵向轴线平行于所述流体的进入方向。
12.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，还包括包括旋转机构的支撑件，所述涡轮机设备设置在所述支撑件上。
13.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，还包括结构加强装置。
14.根据权利要求13所述的涡轮机设备，其中所述结构加强装置包括塔架和将所述塔架连接至涡轮机设备的外部结构的多根线缆。
15.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮机设备，其中流体涡轮机选自由风力涡轮机、水力涡轮机、蒸汽轮机构成的组。
16.根据权利要求11所述的涡轮机设备，其中流体涡轮机为风力涡轮机。
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