CN102216604A

CN102216604A - 具有混合器和喷射器的涡轮机

Info

Publication number: CN102216604A
Application number: CN2009801462927A
Authority: CN
Inventors: 沃尔特·M·小普雷斯; 迈克尔·J·沃勒
Original assignee: FloDesign Wind Turbine Corp
Current assignee: FloDesign Wind Turbine Corp
Priority date: 2008-03-24
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2029-09-23
Also published as: CN101730794B; RU2455522C2; US20100086393A1; WO2009120176A3; US7976269B2; AU2008353477A1; JP5483484B2; CN101730794A; KR20100136897A; RU2009139067A; US20090317231A1; CN102216604B; CA2681830A1; US20100119361A1; US8021100B2; US7980811B2; US20080232957A1; US20110229302A1; MX2009010248A; WO2009120176A8

Abstract

本发明公开了一种混合器/喷射器风力/水力涡轮机(“MEWT”)系统，其通常超过现有的风力/水力涡轮机的效率。使用独特的喷射器构思来流体动力学地改进常规的风力/水力涡轮机的众多操作特征以使潜在发电量提高50％以上。申请人的优选MEWT实施例包括：具有空气动力学外形的带入口的涡轮机外罩；一圈定子翼片；与所述定子翼片直线排列布置的一圈转子叶片(即，叶轮)；以及混合/喷射泵，其用于增加通过涡轮机的流量同时使低能量涡轮机出口流与高能量旁路流体流快速混合。在迎风面积相同的情况下，该MEWT能够产生的功率是无外罩的对应装置的三倍或更多倍，并且能够使风电场的生产率提高两倍或更多倍。该MEWT更加安全和安静，为居住区域提供了改进的风力涡轮机选择。

Description

具有混合器和喷射器的涡轮机

相关申请

本申请是2008年9月23日提交的国际申请号PCT/US2008/011015的部分继续申请，该国际申请要求2008年3月24日提交的美国专利申请序号12/054,050的优先权。该美国专利申请要求申请人在2007年3月23日提交的美国临时专利申请序号60/919,588的优先权。申请人在此通过引用将所有的申请的公开内容全文并入。

技术领域

本公开内容整体涉及轴流式涡轮机，例如轴流式风力涡轮机和轴流式水力涡轮机。

背景技术

全世界都在寻求通过风力发电和基于水流的水力涡轮机的技术的改进，以作为对减少对化石燃料的依赖性的成果的一部分。欧盟最近宣布了一项包括推广使用风电的卓越的可持续能源方案并正在邀请美国加入该项成果。

为了完全实现此类系统的最终潜力，需要解决几个问题/局限性。首先，现有的风力/水力涡轮机族均存在一连串棘手的局限性，比方说：

(1)低风速低性能，这是最相关的，因为许多“风力良好的”地点已被占用并且本行业已经开始专注于用于“少风”地点的技术，

(2)由于损坏叶轮的不良防护和旋转件的不良遮蔽而引起的安全问题，

(3)可从源头到达远方的烦人的脉动噪音，

(4)大量的鸟撞击和杀伤，

(5)由于以下问题而引起的大量初期成本和后续成本：

(i)昂贵的内部齿轮装置，以及

(ii)强风再加上阵风导致的昂贵的涡轮叶片更换，及

(6)对城市和郊外环境的乏味的和/或无法接受的外观。

以上列举的问题和局限性的根本诱因之一是绝大多数现有的风力/水力涡轮机系统依赖于相同的设计方法。因此，实际上所有风力涡轮机是无外罩的/无管道的，仅具有少数叶片(其倾向于很长、很薄且结构脆弱)，并且以很低的叶片毂速度旋转(从而需要大量的内部齿轮装置来发电)但具有很高的叶片末梢速度(并伴随产生新的问题)。这些都是类似的，因为它们全部基于相同的空气动力学模型，即，如以下更详细地披露，利用用于风力涡轮机的“贝兹理论(Betz Theory)”并且利用，对流动涡流效应、空气动力学轮廓损失和末梢流量损失的施米茨(Schmitz)校正，试图捕获在风中可获得的最大功率量。该理论设定了当前的设计体系并且几乎没有留下改进空气动力学性能的空间。从而，本行业的努力已主要集中在风力涡轮机的所有其它非空气动力学方面，例如生产和使用寿命成本、结构完整性等。

在这方面，风力涡轮机通常包括称为“转子”的螺旋桨状的装置，该螺旋桨状的装置迎着运动的气流。当空气撞击转子时，空气在转子上产生的力使转子绕其中心旋转。转子通过诸如齿轮、带、链条或其它装置之类的联动装置与发电机或机械装置相连。这种涡轮机用于发电和为电池充电。这种涡轮机还用于驱动旋转泵和/或运动的机械零件。风力涡轮机在大型发电“风电场”中很常见，大型发电“风电场”具有多个这样的涡轮机，这些涡轮机所排列的几何图形设计为能够在使所述各个涡轮机对彼此的影响和/或对周围环境的影响最小的情况下实现最大功率的提取。

当转子置于与其直径相比非常宽的流中时，转子的将流体功率转换为旋转功率的转换能力被限制在迎面流功率的59.3％，该值是已被充分证明的理论值，被称为“贝兹”极限，在1926年由A·贝兹所证明。该生产率极限值尤其适用于列为“现有技术”的图1A所示的常规多叶片轴流式风力/水力涡轮机。

已经尝试使风力涡轮机的性能潜力超过“贝兹”极限。已采用过围绕转子设置的常规外罩或管道。参见例如：授予Hiel等人的美国专利No.7,218,011(见图1B)；授予de Geus等人的美国专利No.4,204,799(见图1C)；授予Oman等人的美国专利No.4,075,500(见图1D)；以及授予Tocher等人的美国专利No.6,887,031。适当设计的外罩使得进入流在向管道的中心集中时加速。一般而言，对于适当设计的转子，提高的流速导致转子上的作用力增大，并继而导致较高水平的功率提取。然而，转子叶片常常由于较强风造成的剪切力和张力而断裂。

据称有两倍于贝兹极限的值的记录，但未经证实。参见Igar，O.，Shrouds for Aerogenerators，AIAA Journal，1976年10月，pp1481-83；Igar&Ozer，Research and Development for Shrouded WindTurbines，Energy Cons.&Management，Vol.21，pp 13-48，1981；还参见标题为“Ducted Wind/Water Turbines and Propellers Revisited”的AIAA Technical Note，其作者为本申请的申请人(“申请人的AIAATechnical Note”)，并已被同意公开。可以在申请人的信息公开声明中找到上述文件的副本。然而，其权利要求未经实际验证，并且现有的试验结果不能确定这种进步在实际风力涡轮机应用中的可行性。

为了实现这种增加的功率和效率，需要使外罩和转子的空气动力学设计与时常处于高度变化状态的进入流体流速水平紧密匹配。这种空气动力学考虑因素对于流式涡轮机对其周围环境产生的后续影响和风电场设计的生产率水平来说起到非常重要的作用。

在改进现有技术的尝试中，长期以来追求有管道的(也称为有外罩的)概念。这些概念一直提供与传统无管道的设计相比可获得显著益处的有力证据。然而，至今还没有足够成功地进入市场。这明显是由于当前设计包括以下几个主要弱点：(a)它们一般采用基于叶轮的空气动力学概念与涡轮机空气动力学概念，(b)它们未采用噪音和流动改进的概念，以及(c)它们缺乏相当于广泛用于无管道构造的“贝兹/施米茨理论”的基于第一原理的有管道的风力/水力涡轮机设计方法。

喷射器是众所周知并已经得到验证的流体喷射泵，其将流体流抽吸到系统内，从而提高通过该系统的流速。混合器/喷射器是短小紧凑型的喷射泵，这种喷射泵相对而言对进入流状态不敏感，并被广泛用于流速为接近音速或超音速的高速喷射推进应用。参见例如授予Walter M.Presz，Jr博士的美国专利No.5,761,900，该专利也在下游使用混合器，从而在减少排放噪音的同时提高推力。Presz博士是本申请的共同发明人。

燃气涡轮机技术还未成功用于轴流式风力涡轮机。这种不足有多种原因。现有的风力涡轮机使用无外罩的涡轮叶片来提取风能。因此，接近风力涡轮叶片的大部分流体流围绕叶片流动而没有穿过叶片。而且，当空气接近现有的风力涡轮机时，空气速度明显下降。这两种影响均导致经过涡轮机的流速低。低流速使得诸如定子/转子概念之类的燃气涡轮机技术的潜在益处最小。前述的带外罩的风力涡轮机方法的关键在于采用出口扩压器以提高涡轮叶片的速度。扩压器需要较长长度来获得良好的性能，并且往往对进入流的变化非常敏感。这种既长又对气流敏感的扩压器在风力涡轮机设备中不实用。短扩压器在实际应用中会延迟，根本无法工作。而且，在希望以提高的速度进行涡轮机能量提取的情况下，可能无法实现所需的下游扩流。这些影响使得使用燃气涡轮机技术获得更加高效的风力涡轮机的所有上述尝试前功尽弃。

因此，本公开内容的一个主要目的在于提供一种轴流式涡轮机，该涡轮机采用先进的流体动力学混合/喷射泵原理来稳定地传送高于贝兹极限的功率水平。

另一主要目的在于提供一种改进的轴流式涡轮机，该轴流式涡轮机使用独特的(用于风力涡轮机的)混流和控制装置来提高生产率，并使伴生流场对其附近(例如风电场)的周围环境的影响降至最小。

另一主要目的在于提供一种改进的轴流式风力涡轮机，该轴流式风力涡轮机通过转子抽吸入更多的气流，随后使低能涡轮机出口流在离开系统之前与高能旁路气流迅速混合。

相应于上述的目的，更明确的目的在于更安静、更安全地在居住区使用。

发明内容

公开了一种用于产生动力的混合器/喷射器风力或水力涡轮机系统(文中称为“MEWT”)，其结合了流体动力学喷射器构思、先进的混流装置和控制装置以及可调节功率的涡轮机。

在一些实施例中，所述MEWT是一种轴流式涡轮机，该涡轮机按从上游至下游的顺序包括：具有空气动力学外形的带入口的涡轮机外罩；环形定子，其位于所述外罩内；叶轮，其具有与所述定子“直线排列布置”的一圈叶轮叶片；混合器，其与所述涡轮机外罩相连，并具有向下游延伸超过所述叶轮叶片的一圈混合器瓣；以及喷射器，其包括所述一圈混合器瓣和向下游延伸超过所述混合器瓣的混合外罩。所述涡轮机外罩、混合器和喷射器被设计和设置为使经过所述涡轮机的流体(例如风或水)的抽吸量最大，并且使其尾流对环境的影响(例如，噪音)以及对其它动力涡轮机的影响(例如，结构损害或生产率损失)最小。与现有技术不同，所述优选MEWT包括具有先进的混流装置和控制装置外罩，所述混流装置和控制装置例如为瓣状的或槽形的混合器和/或一个或多个喷射泵。所述混合/喷射泵与在飞机制造业中使用的混合器/喷射泵大相径庭，这是因为高能空气流入所述喷射器入口，然后向往包围、抽吸排出涡轮机外罩的低能空气并与所述低能空气混合。

在第一优选实施例中，所述MEWT包括：轴流式涡轮机，其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩包围，所述涡轮机外罩的末端区域(即，涡轮机外罩的端部)结合了混合装置；以及单独的喷射器管道，所述喷射器管道仅覆盖所述涡轮机外罩的尾部，所述喷射器管道本身的末端区域可结合先进的混合装置。

在一个替代实施例中，所述MEWT包括：轴流式涡轮机，其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩包围，所述涡轮机外罩的末端区域结合了混合装置。

对优选的MEWT的基于第一原理的理论分析表明：在迎风面积相同的情况下，所述MEWT能够产生的功率是无外罩的对应装置的三倍或更多倍，并且在风力涡轮机的情形中，可以使风电场的生产率提高两倍或更多倍。

还公开了从流体流提取额外的能量或产生额外的功率的方法。所述方法包括提供混合器外罩，该混合器外罩将进入流分成两股流体流，一股在混所述合器外罩内侧，一股在所述混合器外罩外侧。从经过所述混合器外罩内侧并通过涡轮级的流体流提取能量，从而产生能量减少的流体流。然后能量减少的流体流与其它流体流混合而形成一系列涡流，所述涡流使上述两股流体流相混合并在混合器外罩下游形成低压区域。这又使得额外的流体流经所述涡轮级。

当结合附图阅读以下书面说明时，本公开内容的其它目的和优点将变得更加清楚。

附图说明

列为“现有技术”的图1A、1B、1C和1D示出了现有涡轮机的实例；

图2是根据本公开内容构造的申请人的优选的MEWT实施例的分解视图；

图3是连接在支撑塔上的优选的MEWT的前透视图；

图4是优选的MEWT的前透视图，其中多个部分被去除以示出内部结构，例如与叶轮连接的呈轮状结构的功率输出装置(powertakeoff)；

图5是仅示出图4中的定子、叶轮、功率输出装置和支撑杆的前透视图；

图6是优选的MEWT的替换实施例，其中混合/喷射泵在喷射器外罩的末端区域(即，端部)具有混合器瓣；

图7是图6的MEWT的侧视截面图；

图8是(图7中圈出的)可旋转联接器和机械可旋转定子叶片变型的放大图，所述可旋转联接器用于将MEWT与支撑塔可旋转地联接；

图9是带有螺旋桨状转子的MEWT的前透视图；

图10是图9的MEWT的后透视图；

图11示出了图9的MEWT的后平面图；

图12是沿图11的视向线12-12截取的截面图；

图13是图9的MEWT的前平面图；

图14是沿图13的视向线14-14截取的侧视截面图，示出了用于流量控制的两个可枢转阻挡件；

图15是图14中圈出的阻挡件的放大图；

图16示出了MEWT的替换实施例，所述MEWT具有用于对准风向的两个可选枢转翼板；

图17是图16的MEWT的侧视截面图；

图18是MEWT的替换实施例的前平面图，所述MEWT将二级喷射器与位于涡轮机外罩(此处为混合器瓣)的末端区域和喷射器外罩的末端区域中的混合装置(此处为环形槽)相结合；

图19是图18的MEWT的侧视截面图；

图20是图18的MEWT的后视图；

图21是图18的MEWT的前透视图；

图22是MEWT的替换实施例的前透视图，所述MEWT将二级喷射器与位于涡轮机外罩的末端区域和喷射器外罩的末端区域中的混合器瓣相结合；

图23是图22的MEWT的后透视图；

图24示出了图22的涡轮机外罩内的可选吸音衬层；

图25示出了带有非圆形外罩构件的MEWT；以及

图26示出了优选MEWT的替换实施例，所述MEWT在涡轮机外罩的末端区域(即，端部)具有混合器瓣。

图27示出用于有管道的动力系统中的几何图案和专用术语。

图28是示出了用于无管道涡轮机的施米茨校正的图。

图29是示出了方程的近似解法和精确解法之间的对应程度的图。

图30示出了用于有管道风力/水力涡轮机的最大功率方程的近似解法和精确解法之间的对应程度的图。

图31(a)、图31(b)和图31(c)示出了有管道风力/水力涡轮机的相关结果。

图32(a)、图32(b)、图32(c)和图32(d)示出了单级和多级MEWT。

图33示出了用于单级MEWT中的几何图案和专用术语。

图34是示出了能够通过混合器-喷射器系统、有管道系统和无管道系统提取的预测的贝兹当量最大功率的图。

图35是示出了通过混合器外罩的较慢气流的图。

图36是示出了在混合器外罩周围的较快气流的图。

图37是示出了快空气流和较慢气流的交汇的图。

图38是示出了通过较快气流和较慢气流的交汇形成的涡流的图。

图39是示出了通过混合器外罩形成的一系列涡流的图。

图40是混合器外罩的截面图。

具体实施方式

在一维致动器盘模型中，在不连续提取或增加功率时发挥涡轮或叶轮的作用。图27提供了用于较普通的有管道情形的几何形状和专用术语。当允许管道尺寸和伴生力F_S减小至零时恢复无管道的情形。利用包括涡轮/叶轮叶片作为间断点及在上游和下游无穷处的入流和出流的控制量分析，低速和/或不可压缩流体的质量、动量和能量的守恒产生以下功率和推力方程：

P = \frac{1}{4} ρ A_{p} ({v_{o}}^{2} - {v_{a}}^{2}) (V_{o} + V_{a})

方程(1)：功率

T＝2P/(V_o+V_a)

方程(2)：推力

上述方程中的第一个以因次元形式表示并且后面的一个以应用之后的无因次元形式表示。可见，存在四个变量，即功率P、推力T、自由流速V_a和下游中心速率V_o。对于风力/水力涡轮机而言，仅前向速率Va是已知的，因而需要另一独立的方程来闭合该方程组。这通过寻找捕获最大功率的条件，即P为最大值时对应的V_o的值来实现。这通过将方程1的微分设为零来获得，对于这种情况我们的获得的“贝兹”极限为：

C_{p_{\max}} = \frac{P_{\max}}{\frac{1}{2} ρ A_{p} {V_{a}}^{3}} = \frac{16}{27}

方程(3)：贝兹最大功率极限

该结果对于风力/水力涡轮机设计来说非常重要。该结果被用作涡轮叶片沿其半径的横截面形状的具体空气动力学设计中的核心要素，从而保证可从经过叶片的总流量获得的最大功率的捕获。对叶片设计进行额外调整，以解决由于叶片尾流中的残余涡流、叶片末梢损失和空气动力学轮廓损失(其全部称为施米茨校正)而引起的捕获功率的减小。这里在图28中再现这些损失效应以强调一个重要事实：为了在接近贝兹功率提取极限的任何部位进行捕获，涡轮叶片必须具有多个叶片或以高末梢速度旋转，具有高的宽高比，并具有高的升阻系数。实际上，所有现有的涡轮(以通过现有技术图1A中所示的为例)都满足(honor)该贝兹-施密茨分析模型的空气动力学要求。

现在来看叶轮推进情形，方程1可被改写为：

V_op ³+V_op ²V_ap-V_opV_ap ²-1＝0

方程(4a)

此处已将新的基于功率的特征速率V_p(该“功率”速率与其它方程使用的盘加载系数密切相关)定义为：

V_{p} &equiv; {(4 P / ρ A_{p})}^{\frac{1}{3}}

方程(4b)

并且为了方便，将速率比以缩写方式改写为：

V_op≡V_o/V_p

方程(4c)V_o/V_p≡V_a/V_p

方程(4d)

方程(4)的精确解法为：

V_{op} = {[\frac{1}{2} + \frac{8}{27} {V_{ap}}^{3} + \frac{1}{2} \sqrt{{(1 + \frac{16}{27} {V_{ap}}^{3})}^{2} - \frac{64}{279} {V_{ap}}^{6}}]}^{\frac{1}{3}}

+ {[\frac{1}{2} + \frac{8}{27} {V_{ap}}^{3} - \frac{1}{2} \sqrt{{(1 + \frac{16}{27} {V_{ap}}^{3})}^{2} - \frac{64}{729} {V_{ap}}^{6}}]}^{\frac{1}{3}}

- \frac{1}{3} V_{ap}

方程(4e)

其可使用级数展开近似为：

V_{op} \approx 1 - \frac{1}{3} V_{ap} + \frac{4}{9} {V_{ap}}^{2}

方程(4f)

如图29所示，方程4e的这种近似值保持在意外宽范围的V_ap上。该情形对于叶轮推力来说更好，其现在可利用方程4(e)或在方程2中的近似方程4(f)计算。在图29中示出了有关叶轮推力系数C_T方面的结果，文中C_T定义为：

C_{T_{p}} &equiv; \frac{T}{\frac{1}{2} ρ A_{p} {V_{p}}^{2}} = 1 / (V_{op} + V_{ap})

方程(4g)

此外，从图29注意到使用方程4f给出精确解法的合适表达式：

C_{T_{p}} \approx 1 / (1 + \frac{2}{3} V_{ap} + \frac{4}{9} {V_{ap}}^{2})

方程(4h)

方程1至4给出了产生动力的风力/水力涡轮机的完整表达式。现在首先为有管道构造概括表达式，然后为混合器-喷射器构造概括表达式。

方程1至4中提供的基于致动器-盘的分析模型延伸到有管道构造是直接的。再次参照图27，动力和推力方程变成：

P = \frac{1}{4} [ρ A_{p} ({V_{o}}^{2} - {V_{a}}^{2}) + F_{s}] (V_{o} + V_{a})

方程(5)：功率

T＝2P/(V_o+V_a)

方程(6)：推力

这些方程明确地保留了外罩/管道力F_S对流场的影响。通过在由外罩/管道形成的环式翼型件周围引导循环而在当前的无粘滞性流动模型中产生力F_S。

这些方程引入了流动边界条件并在其中校正前面提供和使用的模型。在将所有前述一维致动器-盘模型应用到有管道风力/水力涡轮机上时，通过采用压力水平作为在管道出口平面A_D的下游边界条件闭合该方程组。

该校正的意义对于产生有管道构造的贝兹极限功率当量是最重要的。方程5表明，有管道风力/水力涡轮机的最大功率为：

C_{P_{\max}} = \frac{16}{27} [\frac{\sqrt{1 - \frac{3}{4} C_{s}} + 1 - \frac{3}{2} C_{s}}{2}] [\frac{\sqrt{1 - \frac{3}{4} C_{s}} + 1}{2}]

方程(7)：有管道风力/水力涡轮机功率极限

其中无因次元外罩/管道力系数为：

C_{s} &equiv; \frac{F_{s}}{\frac{1}{2} ρ A_{p} {V_{a}}^{2}}

方程(7b)

需要注意，该模型捕获无管道情形(C_S＝0)仅作为有管道风力/水力涡轮机的无穷系列之一，如图30所示。还示出了方程7a的泰勒级数近似值为：

C_{P_{\max}} = \frac{16}{27} [1 - \frac{9}{8} C_{s}]

方程(7c)

其满足意外宽的应用范围。

方程7a-7c为涡轮/叶轮叶片的截面形状的具体设计提供了缺少类似于贝兹的核心要素，从而保证可从经过叶片的流中获得的最大功率的捕获，以及用于校正涡流和空气动力学轮廓损失结果的类似于施米茨分析的基础。

最明显地，观察到：(a)有管道支架理论上能够捕获裸露风力/水力涡轮机的功率的很多倍，以及(b)仅存在单个参数C_S，以及相关的在管道周围的循环，该循环决定了可从流中提取的最大功率。现在，这种将叶片设计与其周围的管道联系起来的明确关系必须得以满足以实现最佳功率提取。具备这种新模型，风力/水力涡轮机的合理设计方法可以延续实现最大可获得功率输出的潜力。

一组完整的有关结果在下文和在图31(a)、图31(b)和图31(c)中提供。

V_{{oa}_{m}} = \frac{1}{3} [2 \sqrt{1 - \frac{3}{4} C_{s}} - 1]

方程(7d)

V_{{pa}_{m}} = \frac{1}{2} (V_{oa} + 1) + \frac{C_{s}}{2} / (V_{oa} - 1)

方程(7e)

T_{{PT}_{m} &equiv; {(T_{P} / T_{Total})}_{m}} = 1 - C_{s} / (1 - {V_{oa}}^{2})

方程(7f)

A_{{op}_{m}} &equiv; {(A_{o} / A_{p})}_{m} = V_{{pa}_{m}} / V_{{oa}_{m}}

方程(7g)

A_{{ip}_{m}} &equiv; {(A_{i} / A_{p})}_{m} = V_{{pa}_{m}}

方程(7h)

在图27的出口平面A_D内的流动条件可利用Bernoulli方程来计算，以表明为了实现最大功率提取，管道出口压力系数和出口区域扩散比必须满足以下关系：

C_{P_{D}} = \frac{P_{a} - P_{D}}{\frac{1}{2} ρ {V_{a}}^{2}} = \frac{{(V_{P} / V_{a})}^{2}}{{(A_{D} / A_{P})}^{2}} - {(\frac{V_{o}}{V_{a}})}^{2}

方程(7i)

其中以缩写方式给出面积比：

A_DP≡A_D/A_P

方程(7j)

并且图31(c)中示出两个管道面积扩散比的结果。

用于单级和多级混合器-喷射器的复杂且独特设计的系统和方法可用于改进次音速有管道动力系统。需要将用于通过多级混合器的流的控制方程与图27所示的有管道构造联系起来，从而产生图33所示的、用于单级混合器-喷射器风力/水力涡轮机系统的情形的流构造。

根据与上述无管道和有管道的情形相同的程序，但增加了在喷射器管道内部的质量、动量和能量守恒，三个控制方程为：

P = \frac{1}{2} ρ A_{D} V_{D} ({V_{S}}^{2} - {V_{D}}^{2})

方程(8)：功率

\frac{1}{2} ρ A_{P} ({V_{D}}^{2} - {V_{S}}^{2}) + F_{s} + F_{e} = ρ A_{D} V_{D} (1 + r_{S} V_{SD}) (V_{o} - V_{a})

方程(9)：整体动量平衡

其中外罩/管道和喷射器力系数已被定义为：

C_{se} &equiv; \frac{F_{s} + F_{e}}{\frac{1}{2} ρ {V_{a}}^{2}}

方程(9b)

(V_S+r_SV_D)²＝(1+r_S)²[V_a ²+V_D ²-V_o ²]

方程(10a)：喷射器流量

其中喷射器入口面积参数r_s已被定义为：r_S＝A_S/A_D

方程(10b)

对于风力/水力涡轮机的情形，该方程系统可用于通过以下方式确定适合混合器-喷射器提取的贝兹当量最大功率：微分方程8，从方程9和方程10a代入相关项，将导数设为零并且迭代求解。图34根据所提取的功率与裸露支架最大值的比(即，贝兹极限)示出结果：

r &equiv; C_{P_{\max}} / (\frac{16}{27})

方程(11)

可以看出，与有管道的情形(C_se＝0，A_e/A_D＝1)及有管道的情形(0＞C_se＞0，A_e/A_D＝1)相比，混合器-喷射器明显提高了最大功率提取潜力。图34表明可获得2倍和3倍于裸露涡轮机情形和比有管道的情形大70％的水平。

混合器-喷射器动力系统(MEPS)提供了从风或水流产生动力或利用空气或水排放喷射产生推进推力的独特和改进的装置。MEPS包括：

·主管道，其容纳从主流提取功率或向主流增加功率的涡轮或叶轮叶片；以及

·单级或多级混合器-喷射器，用于使用各个这样的混合器-喷射器级吸收流，所述混合器-喷射器级包括既用于带来二次流和为喷射器级提供混流长度的混合管道。混合管道入口外形设计成使流量损失最小同时提供良好的喷射器性能所需的压力。

得到的混合器/喷射器通过以下方式改进动力系统的操作特征：(a)增加通过系统的流量，(b)减小涡轮叶片上的背压，以及(c)减小从系统传播的噪音。

所述MEPS可包括：

·管道轮廓的曲面，用于提高进入和通过系统的流量；

·主管道和混合管道中的声学处理，作为在主管道中用于控制涡流的噪音抑制引流翼，和/或专门用于减少涡流效应的混合器瓣；

·基于新理论功率极限的涡轮状叶片空气动力学设计，用于开发可具有多排叶片和/或反向旋转的叶片排的短小且结构上牢固的构造的系列；

·混合管道上的出口扩散器或喷嘴，用于进一步提高整个系统的性能；

·非圆形横截面的入口和出口区域，用于适应装置局限性；

·位于下部外表面上的回转接头，用于安装在竖直台/架上以使系统转动到风或水流中；

·竖直空气动力学稳定翼，安装在带有突部的管道外部以保持系统朝向风或水流；或

·混合器瓣，位于多级喷射器系统的单级上。

详细参考附图，图2-25示出了申请人的具有混合器和喷射器的轴流式风力/水力涡轮机(“MEWT”)的替换实施例。

在优选实施例中(见图2、图3、图4和图5)，MEWT 100为轴流式涡轮机，其包括：

(a)具有空气动力学外形的涡轮机外罩102；

(b)具有空气动力学外形的中心体103，其位于涡轮机外罩102内并与涡轮机外罩102相连；

(c)涡轮级104，其围绕中心体103，并且包括：由定子翼片(例如，108a)构成的定子环106；以及叶轮或转子110，其具有叶轮叶片或转子叶片(例如，112a)，所述叶轮叶片或转子叶片位于所述定子翼片的下游并与所述定子翼片“同轴排列”(即，叶轮叶片的前缘与定子翼片的后缘基本对齐)，其中：

(i)定子翼片(例如，108a)安装在中心体103上；

(ii)叶轮叶片(例如，112a)通过安装在中心体103上的内环和外环或箍连接并保持在一起；

(d)混合器118，其具有位于涡轮机外罩102的末端区域(即，端部)上的一圈混合器瓣(例如，120a)，其中所述混合器瓣(例如，120a)向下游延伸超过叶轮叶片(例如，12a)；以及

(e)喷射器122，其包括外罩128并包围涡轮机外罩上的一圈混合器瓣(例如，120a)，其中所述混合器瓣(例如，120a)向下游延伸并伸入喷射器外罩128的入口129。

如图7所示，MEWT 100的中心体103优选通过定子环106(或其它装置)与涡轮机外罩102相连，从而消除常规风力涡轮机在涡轮机叶片尾流撞击支撑塔时产生的有害、令人烦恼并且传播距离长的低频噪音。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，以增加通过涡轮机转子的流。

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3.0之间，所述面积比的定义为喷射器外罩128的出口面积除以涡轮机外罩102的出口面积之比。混合器瓣(例如，120a)的数量在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。混合器瓣出口的起始位置位于或靠近喷射器外罩128的入口位置或入口129。混合器瓣通道的高度-宽度比在0.5到4.5之间。混合器的穿过部分占50％到80％之间。中心体103顶部与后缘的角度为30度或更小。整个MEWT 100的长度与直径的比(L/D)在0.5到1.25之间。

申请人对优选的MEWT 100进行的基于第一原理的理论分析表明：在迎风面积相同的情况下，该MEWT能够产生的功率是无外罩的对应装置的三倍或更多倍；并且该MEWT能够使风电场的生产率提高两倍或更多倍。对于理论分析中使用的方法和公式，参见申请人在上面背景技术部分中引用的AIAA Technical Note。

基于该理论分析，申请人相信优选的MEWT实施例100产生的功率是同样大小的常规风力涡轮机(如图1A所示)的现有功率的三倍。

在简化形式中，MEWT的优选实施例100包括：轴流式涡轮机(例如，定子翼片和叶轮叶片)，其被具有空气动力学外形的涡轮机外罩102包围，所述涡轮机外罩102在其末端区域(即，端部)结合了混合装置；以及仅覆盖涡轮机外罩102尾部的单独的喷射器外罩(例如，128)，该喷射器外罩本身在其末端区域内可以结合先进的混合装置(例如，混合器瓣)。申请人的混合器瓣(例如，120a)的环118与喷射器外罩128的结合可以被视为混合/喷射泵。该混合/喷射泵提供了使风力涡轮机的工作效率稳定地超过贝兹极限的装置。

申请人还给出了图2A和图2B所示的MEWT的优选实施例100的补充信息。所述MEWT的优选实施例100包括：涡轮机节104(即，带有定子环106和叶轮110)，其安装在中心体103上，并被具有嵌入式混合器瓣(例如，120a)的涡轮机外罩102包围，所述混合器瓣的后缘略微插入喷射器外罩128的入口平面。涡轮机节104和喷射器外罩128与涡轮机外罩102在结构上连接，所述涡轮机外罩120本身就是主要的承载部件。

涡轮机外罩102的长度等于或小于涡轮机外罩的最大外径。喷射器外罩128的长度等于或小于喷射器外罩的最大外径。中心体103的外表面具有空气动力学外形，以使MEWT 100下游的分流效应最小。所述中心体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。

所述涡轮机外罩的入口面积和出口面积等于或大于涡轮机节104占用的环形的面积，但不必呈圆形，从而可以更好地控制气流源和其尾流的冲击。由中心体103和涡轮机外罩120的内表面之间的环形形成的内部流路的横截面面积呈空气动力学形状，从而在涡轮机平面上具有最小面积，并且另外还从它们各自的入口平面平滑变化到出口平面。涡轮机外罩和喷射器外罩的外表面呈空气动力学形状，以帮助将气流导入涡轮机外罩入口，消除与所述涡轮机外罩和喷射器外罩的表面的分流，并将平稳的气流送入喷射器入口129。喷射器128的入口区域(其可以是非圆形的(例如参见图25))大于混合器118的出口平面区域，并且喷射器的出口区域也可以是非圆形的。

优选实施例100的可选特征可以包括：呈轮状结构的功率输出装置130(参见图4和图5)，其将叶轮110的外轮缘与发电机(未示出)相连；竖直支撑轴132，其具有可旋转的联接器134(参见图5)以便可旋转地支撑MEWT 100，所述竖直支撑轴132位于MEWT上的压力中心位置的前方，从而使MEWT自对准；以及自移式的竖直稳定器或“翼板”136(参见图4)，其固定在喷射器外罩128的上表面和下表面上，以根据不同气流稳定对准方向。

当在靠近居民区的地方使用MEWT 100时，可以在MEWT 100的外罩102、108的内表面上安装吸音材料138(参见图24)，以吸收并从而消除由定子106的尾流与叶轮110的相互作用产生的较高频率的声波。MEWT还可以包括安全叶片容纳结构(未示出)。

图14和图15示出了可选的挡流板140a、140b。挡流板140a、140b可以通过联动装置(未示出)旋转而进入流动气流中，从而在高流速可能对发电机或其它构件造成损害时，减少或阻止气流通过涡轮机100。

图8示出了申请人的优选MEWT 100的另一种可选变型。定子翼片的出口倾角在原位在机械变化(即，所述翼片是枢转的)，以适应流体流速率的变化，从而保证在排出转子的气流中的残余涡流最少。

需要注意的是，申请人的替换MEWT实施例(如图9-图23和图26所示)中均使用了螺旋桨状转子(例如，图9中的142)，而不是具有一圈叶轮叶片的涡轮机转子。尽管这些实施例可能不是那么高效，但可能更为公众所接受。

申请人的替换MEWT实施例为变型200、300、400、500，在此情况下，这些变型包含具有嵌入到喷射器外罩的末端区域(即，端部)中的混合器的零级喷射器(例如，参见图26)、一级喷射器和二级喷射器。例如，参见图18、图20和图22，其中示出了嵌入到喷射器外罩的末端区域中的混合器。分析表明，这些MEWT实施例可以更快地消除在现有风力涡轮机的尾流中产生的固有速度缺陷，并从而减小在风电场中所需的分隔距离以避免结构损害和/或生产率损失。

图6示出了图示实施例100的“二级”喷射器变型600，其中该喷射器变型在喷射器外罩的末端区域内具有混合器。

文中所述的喷射器设计概念可显著提高流体动力学性能。基本概念如图32(a)至图32(d)中所示且包含使用复杂的瓣式混合器来提高通过单级和多级喷射器的流。这些混合器-喷射器系统与带和不带喷射器的常规系统相比能够提供了诸多优点，比方说：喷射器长度更短；进入和通过系统的质量流增加；对入口阻流和/或对未对准主要气流方向的敏感性降低；空气动力学噪音减少；以及在主出口的吸入压力增加。

图35-图40中示出了产生能量或动力的方法、或增加流体涡轮机的能量或功率的方法、或从流体流提取额外量的能量的方法。一般而言，流体涡轮机具有用于限定以下两者的装置：(a)经过涡轮机的主流体流；以及(b)绕开涡轮机的二级流体流。该流体涡轮机还具有用于从主流体流提取能量的装置。该涡轮机布置成与流体流接触，以限定出主流体流和二级流体流。从主流体流提取能量以形成能量减少的流体流。然后能量减少的流体流与二级流体流混合，以将能量从二级流体流传递到能量减少的流体流。这种混合使得额外的流体加入主流体流，从而提高通过涡轮机的流量并增加所提取的能量的提取量。由于两股流体流的混合而产生压力降低的区域。

如图35和图36所示，混合器外罩800包围诸如涡轮级(未示出)之类的动力提取单元。混合器外罩800将进入流体(例如，风或水)分离成经过混合器外罩内侧并通过动力提取单元的第一流体流810，以及经过混合器外罩外侧并绕开动力提取单元的第二流体流820。混合器外罩800具有出口或离开端802。多个混合器瓣830布置在该出口802周围。混合器外罩800还具有喇叭形的入口808。该混合器外罩800对应于用于限定出以上定义的主流体流和二级流体流的装置。在经过动力提取单元之后，能量减少的流体流812排出出口802。

如图40的截面图中可见，各个混合器瓣830均具有外后缘角度α和内后缘角度β。混合器外罩800具有中心轴线804。角度α和β是相对于平面840测量的，该平面840平行于所述中心轴线，垂直于混合器外罩的入口平面806，且沿混合器外罩的表面805。该角度是从顶点842测量的，混合器外罩在该点开始分叉而形成混合器瓣。外后缘角度α是在混合器瓣的后缘上的最外部点844测量的，而内后缘角度β是在混合器瓣的后缘上的最内部点846测量的。在一些实施例中，外后缘角度α和内后缘角度β不同，而在其它实施例中α和β相等。在特定实施例中，内后缘角度β大于或小于外后缘角度α。如前文所述，各个角度可独立地处于5到25度的范围内。

涡轮级继而从主流体流提取能量以生成或产生能量或动力。在涡轮级之后，主流体流也可以被认为是后涡轮主流体流或能量减少的流体流812，反映了所述主流体流所包含的能力比进入涡轮级之前少的事实。如图35中可见，混合器外罩800的形状使得主流体流810在经过涡轮机之后向外扩大。换言之，混合器外罩800引导能量减少的流体流812离开中心轴线804。

如图36中可见，混合器外罩800的形状使得二级流体流820向内流动。换言之，混合器外罩800朝中心轴线804引导二级流体流820。

如图37所示，后涡轮主流体流812和二级流体流812从而以角度ω交汇。角度ω通常在10到50度之间。混合器外罩的这种设计利用轴向涡流状态来混合这两股流体流。

如图38和图39所示，两股流体流812、820的交汇导致这两股流体流的“主动”混合。这种混合不同于一般仅沿两股平行流体流的边界发生的“被动”混合。相反，此处主动混合引起这两股流体流之间的充分大的能量传递。另外，在混合器外罩800下游或后面产生大量减压或低压860。混合器外罩下游的涡流和减压又将更多流体带到主流体流810内并允许动力提取单元/涡轮级从进入流体提取更多能量。换言之，涡流和减压导致在涡轮级上游的主流体810加速进入混合器外罩中。换言之，减压/低压使得额外的流体被夹带通过混合器外罩而不是经过混合器外罩外侧。

图38示出了由于能量减少的流体流812和二级流体流820在一个混合器瓣附近交汇而形成的涡流850。图39示出了通过位于混合器外罩出口802的多个混合器瓣830形成的涡流系列。所述涡流形成在混合器外罩800后面。该组合也可被认为是第一出口流870。该设计的另一个优点在于通过主动混合形成的涡流系列缩短了其中发生湍流的涡轮机的下游的距离。对于常规的涡轮机，所产生的下游湍流通常意味着下游涡轮机必须布置在10倍于上游涡轮机的直径的距离处，从而减少疲劳失效。相反，本发明的涡轮机可布置成更靠近，从而允许从流体捕获额外的能量。

作为选择，混合器外罩800可被认为将进入空气分离成第一快速流体流810和第二快速流体流820。第一快速流体流经过涡轮级并从中提取能量，从而产生排出混合器外罩内部的慢速流体流812，该慢速流体流相比于第二快速流体流较慢。然后慢速流体流812与第二快速流体流820混合。

如图2和图3所示，喷射器外罩可布置在混合器外罩的下游并与其同轴。混合器外罩的出口延伸到喷射器外罩的入口内。喷射器外罩也可具有在其离开端或出口的多个混合器瓣。排出混合器外罩的第一出口流870可被引导到喷射器外罩的入口内。喷射器外罩限定出绕开喷射器外罩的入口的第三流体流，并以类似于朝能量减少的流体流引导二级流体流的混合器外罩的方式朝第一出口流引导该第三流体流。这种混合将提高通过动力提取单元的主流体流的流量并增大所提取的能量的提取量。

应当理解，不论是否特别指出，文中所涉及的涡轮机都可适用于风或水。另外，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以进行修改。例如，可以使用槽来代替混合器瓣或喷射器瓣。另外，无需使用阻挡臂即可达到或超过贝兹极限。因此，应当主要参考所附权利要求书而不是前面的说明书。

Claims

1.一种增加从流体流提取的能量的方法，包括：

提供流体涡轮机，所述流体涡轮机具有(i)用于限定经过所述涡轮机的主流体流和绕开所述涡轮机的二级流体流的装置，以及(ii)用于从所述主流体流提取能量的装置；

使所述涡轮机与流体流接触；

从所述主流体流提取能量以形成能量减少的流体流；以及

使所述能量减少的流体流与所述二级流体流混合，以将能量从所述二级流体流传递至所述能量减少的流体流，从而提高通过所述涡轮机的所述主流体流的流量并增加能量提取量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体涡轮机为水平轴流式风力涡轮机。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述用于限定主流体流的装置是具有喇叭形的入口和布置在出口周围的多个混合器瓣的混合器外罩。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，各个混合器瓣具有内后缘角度和外后缘角度，所述内角度与所述外角度不同。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述内角度大于所述外角度。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述内角度小于所述外角度。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述内角度和所述外角度独立地处于5到25度的范围内。

8.根据权利要求3所述的方法，其中，各个混合器瓣具有内后缘角度和外后缘角度，所述内角度等于所述外角度。

9.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成所述外罩的下游末端以引导所述能量减少的主流体流离开所述中心轴线。

10.根据权利要求1的方法，进一步包括：

将喷射器外罩布置在所述流体涡轮机下游并与所述流体涡轮机同轴；以及

使流体涡轮机出口延伸到喷射器外罩入口内。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述喷射器外罩具有围绕喷射器外罩出口的一圈混合器瓣。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述用于限定主流体流的装置引导所述能量减少的流体流离开中心轴线并朝所述中心轴线引导所述二级流体流。

13.一种增加由流体涡轮机提取的能量的提取量的方法，包括：

提供具有混合器外罩和功率提取单元的流体涡轮机，所述混合器外罩限定出经过所述功率提取单元的第一流体流和绕开所述功率提取单元的第二流体流；

使用所述功率提取单元从所述第一流体流提取能量而产生能量减少的流体流；以及

引导所述第二流体流与所述能量减少的流体流混合，从而将能量从所述第二流体流传递至所述能量减少的流体流，从而提高通过所述功率提取单元的所述主流体流的流量并增加所提取的能量的提取量。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述混合器外罩具有喇叭形的入口和布置在出口周围的多个混合器瓣。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，各个混合器瓣具有内后缘角度和外后缘角度，所述内角度与所述外角度不同。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述内角度和所述外角度独立地处于5到25度的范围内。

17.根据权利要求13的方法，进一步包括：

将喷射器外罩布置在所述混合器外罩下游并与所述混合器外罩同轴；以及

使混合器外罩出口延伸到喷射器外罩入口内。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述喷射器外罩具有围绕喷射器外罩出口的一圈混合器瓣。

19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述混合器外罩引导所述能量减少的流体流离开中心轴线并朝所述中心轴线引导所述第二流体流。

20.一种增加通过流体涡轮机提取的能量的提取量的方法，包括：

提供具有围绕涡轮级的第一外罩和在所述第一外罩下游的第二外罩的流体涡轮级；

使用所述涡轮级从主流体流提取能量；

借助所述第一外罩将排出所述涡轮级的所述主流体流与绕开所述涡轮级的二级流体流混合而形成第一出口流；

将所述第一出口流引导到所述第二外罩内；

将所述第二外罩构造成朝所述第一出口流引导绕开所述第二外罩的第三流体流；以及

将所述第一出口流与所述第三流体流混合以将能量从所述第三流体流传递至所述第一出口流，从而提高通过所述涡轮级的所述主流体流的流量并增加所提取的能量的提取量。