CN102245893A - 涡流涡轮机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从水涡流中汲取出转动能的水轮机。所述水轮机包括带有至少一个沟的转子，所述沟在圆周上及纵向地延伸过转子。所述沟包括弯道，以从所述水涡流中汲取转动能。本发明也可包括位于所述水轮机入口处的导叶，以在水轮机中产生涡流。此外，所述水轮机可在所述入口和转子之间为锥形，以增加所述涡流的转速。

Description

涡流涡轮机

技术领域

本发明涉及水轮机。

背景技术

水轮机从运动中的水体中汲取能量，以通常用于发电。普常形式的水轮机包括水翼浆片，该水翼浆片通过流过其的水体而转动。

当更大的水体流过水翼浆片时，包括有水翼浆片的水轮机捕获更多的能量。因此，这类设计通常包括长形的浆片以使涡轮机扫掠面积为最大。然而，长浆片会导致在结构上有缺陷。

在受潮汐影响的溪流或河流中，相对于水体的深度的不同，水体具有不同的速度。此外，水流由漩涡和涡流组成，这导致了涡轮机的多个部分处于以不同的速度移动的各流体中，并且涡轮机甚至能够处于与水流主体相反的方向。因此，当水翼浆片位于这种水体中，不同的力度就会施加在浆片的不同部分上和涡轮机上的不同浆片之间。这导致了浆片、轮毂或轴承的损坏，其导致了故障的出现。

此外，长形水翼浆片的转速是低的。因此，通常需要变速箱以驱动发电机。设在水下的位置的变速箱是不理想的，因为这会导致保养和维修成本的增加。

再者，所述长形的水翼涡轮机浆片会破坏海洋环境。例如，游动在长形的水轮机浆片附近的鱼类或海洋哺乳动物可能会与浆片碰撞，这会导致鱼类或海洋哺乳动物受伤或死亡，并可能会损坏该涡轮机。

另一种形式的水轮机是培尔顿式水轮机(Pelton wheel)。培尔顿式水轮机包括带有杯状物的轮，该杯状物围绕着轮的圆周安装。高压的水射流被引导至杯状物，并且随着轮的转动，将其动量传导至杯状物。这项技术在水和涡轮机的运动中的部件之间产生了许多摩擦，这导致了低效率。此外，局部压力的下降导致了水的空蚀作用，冲击波以及其局部的酸度会损坏水轮机。

发明内容

因此本发明的目的在于提供缓解上述某些或全部问题的水轮机。

根据本发明的第一方面，设有如权利要求1所述的用于容纳水涡流的转子，该转子可包括沟，该沟被布置为将所述水涡流从第一螺旋角引导至另一不同的螺旋角，以致该转子接收所述水涡流的转动能。

有利的是，转子在基本上不改变转子纵轴上水流速度的情况下而接收水涡流的转动能。这因此更少地干扰到周围的海洋环境。

此外，例如与培尔顿式水轮机相比较，水和转子之间具有较小的摩擦。这因此增加了所述转子的效率，并减少了对水轮机所作的损坏以及保养频率。

所述转子可包括转子出口和转子入口，其中所述转子出口的截面面积可能小于所述转子入口的截面面积。

所述转子可包括纵向延伸过转子的中央沟。

优选地，水轮机包括该转子。

优选地，所述水轮机包括引导装置，其被布置为在水流过引导装置时引起涡流。所述引导装置可具有水翼部分，和/或可从所述水轮机向着上游延伸，并包括位于所述水轮机的中央纵轴的涡旋泄离装置(vortex shedding means)。

可选择地，水轮机还包括入口，且所述引导装置可为多个围绕着所述入口布置的弓形部分。

有利的是，所述引导装置使得水涡流用于使所述转子从水涡流中汲取能量。此外，邻近水轮机入口的水被引导成涡流，因此增加了加速地流入水轮机的水量。

可选择地，水轮机在所述入口和转子入口之间为锥形，以致涡流的半径沿着水轮机的纵轴而减小。

这增加了水涡流的转速，其增加了转子的转速。因此，该转子能被构建成更小的尺寸，这减少了成本和转子损坏的风险。

此外，可减少以变速箱来驱动发电机的需要。因为不存在着由于传动装置而导致的效率损耗，以及需要更少的保养或修理，故这是有利的。

优选地，所述水轮机包括发电机，其纵向地安装或者由磁力装置组成，该磁力装置安装在所述转子的边缘上并邻近管道中的静止线圈。

附图说明

现以例子的方式，结合附图的参考描述本发明的实施例，其中：

图1所示为本发明的第一实施例的水轮机的主视图；

图2所示为第一实施例的水轮机的侧面截面图；

图3所示为第一实施例的水轮机的侧面截面图，其中显示了水涡流；

图4所示为第一实施例的转子的侧视图，其中显示了第一和第二螺旋角；

图5所示为本发明的第二实施例的转子的侧视图；

图6所示为本发明的第三实施例的水轮机的主视图；

图7所示为第三实施例的转子的侧面截面图；

图8所示为本发明的第四实施例的水轮机的主视图；

图9所示为第四实施例的水轮机的侧面截面图；

图10所示为本发明的第五实施例的水轮机的主视图；

图11所示为第五实施例的水轮机的侧面截面图；及

图12所示为水轮机的部分主视图，其包括引导装置，该引导装置具有同本发明的第四实施例的引导装置相类似的结构。

具体实施方式

现参考图1-4描述本发明的第一实施例。

设有水轮机1，其包括外壳3、用于导入水的入口5、用于让水流出的出口7、变径的管道9、转子11以及发电机13。

入口5包括导叶15，每个导叶具有适合的弯曲表面，以制造涡流。因此，当水流在导叶15上流过时，水将会形成涡流。

是本领域技术的读者会理解水涡流20是指任何大致具有螺旋形路径的流体。

水涡流20制造了自管道9的中央至管道9的璧的径向压力梯度，以致压力在管道9的中央位于最低点。这将从上游流入入口5的水引导至管道9的中部。如图3所示，该整体上的作用是为了产生相对于离入口5的纵向距离，半径逐渐增加的水涡流20。因此，使得更大量的水以增加了的纵向速度流入水轮机1。

水轮机1的管道9的截面面积自入口5至转子11的前端逐渐减小。为了角动量守恒，水涡流20的角速度因此而增加。如图所示，管道9的截面面积在转子11的前端的端面大致达到最小值，因此水涡流20的角速度基本上达到最大值。

转子11具有多个沟11b，其被布置成围绕着转子11的圆周，并且每个沟延伸到转子11的长度。每个沟11b具有允许水流入沟11b的转子入口11a，以及允许水流出沟11b的转子出口11c。

如图4所示，水涡流20流入转子入口11a。为了本说明书记载的目的，只详细地记载了一个沟11b，然而是本领域技术的读者会理解水涡流20会流入至少一个沟11b。

转子入口11a以第一螺旋角θ_x被布置。

沟11b被布置成当水涡流20流过沟11b时，一大部分的转动能被汲取。这通过成弯曲状的沟11b实现，以致转子出口11c以第二螺旋角θ_y被布置。

是本领域技术的读者会理解第一螺旋角、第二螺旋角以及沟11b的弯曲程度的选定是取决于水轮机1内的情况。例如，水的速度、水轮机1的纵向长度、水流流过水轮机的纵向长度的水流路径的径向膨胀，以及水涡流20的转动能是决定沟11b最佳外形尺寸的所有因素。

如图4所示，在本实施例中，第二螺旋角大致上是第一螺旋角绕着水轮机1纵轴的反射。

转子11从水涡流20中汲取部分转动能，使得转子11以同所述涡流相同转动方向而转动。

转子11的转动能在发电机13中被转换为电能。是本领域技术的读者会理解水仍然保留着其大部分的轴向速度，即水仍然处于方向100。

接着水经由转子出口11c流出转子11，所述水带有很少或不带有转动能，即水基本上以轴向流出。

现参考图5对本发明的第二实施例进行描述。

同第一实施例相类似，转子111包含多个沟111b，其被布置成围绕着转子的圆周，并相对于转子入口111a和转子出口111c分别具有不同的螺旋角。然而，在第二实施例中，沟111b的截面面积沿着转子111的长度逐渐变小。沟111b的截面面积沿着沟111b逐渐变小，这加速了水120在轴向方向的流动，以致其以射流的形式流出转子出口111c。

所述射流以一定的角度流出转子111，根据牛顿第三定律，这使得转子111转动。

现参考图6和7描述本发明的第三实施例。再次地，转子211包含多个沟211b，其被布置成围绕着转子的圆周，并相对于转子入口211a和转子出口211c分别具有不同的螺旋角。

然而，在第三实施例中，转子211具有中心沟211d，其沿着转子211的中央纵轴从转子入口211a延伸至转子出口211c。由于压力梯度的存在，在水涡流220中的任何物质，例如废弃物或海洋生物会趋于流向水涡流220的中部。中心沟211d允许所述物质在不通过沟211b的情况下，通过转子211。这减少了水轮机201对于海洋环境的影响，并降低了由于与废弃物或海洋生物碰撞或缠绕而导致的水轮机201损坏的发生率。

在第三实施例中，安装在边缘上的发电机214用于将转子211的转动能转化为电能。如图7所示，安装在边缘上的发电机214包括位于围绕着转子211周边的永磁体214a，其在管道209中转动并越过电磁铁芯214b。

现参考图8和9描述本发明的第四实施例。

第四实施例包括多个导叶317，其从水轮机301的入口305向外伸出，并伸入入口305的水流的上游，即，如图9所示，在水轮机301的入口305的左边。在此布置中，导叶317具有水翼部分，以向位于方向300的水流赋予涡流的运动，并且在第二方面，所述水翼部分提供了屏障，以防止大型物体进入水轮机301的管道309。

导叶317与沿着水轮机301的中央纵轴的某处相交，鼻状物318位于该处。随着水流过鼻状物318，产生涡旋泄离，其增强了导叶317所形成的涡流。

现参考图10和11描述本发明的第五实施例。

在第五实施例中，入口405设于多个相接的弓形部分405a、405b、405c，多个相接的弓形部分405a、405b、405c限定了闭合的环。多个弓形部分的截面面积沿着水轮机401的纵轴减小，并形成了部分的螺旋路径，以致其使得水形成涡流。第5实施例中弓形部分的数量为3个，虽然在不同的实施例中，可以使用不同的数目。

图12所示为带有与第四个实施例中相似结构的导叶517的水轮机501。水轮机501还包括鼻状物518。

是本领域技术的读者会理解实施例1至5所公开的特征可以组合使用。例如，所述水轮机能包括所述任何一个实施例中的任何一种导叶，以及所述任何一个实施例中的任何一种涡轮布置。此外，实施例3中所公开的安装在边缘的发电机能够在任何其他的实施例中作为将转动能转化为电能的装置。

此外，安装在边缘和纵向安装的发电机只是产生电力的装置的例子。是本领域技术的读者会理解其他产生电能的装置也是可以使用的。此外，所产生的电能只是所述转子的转动能的一种输出，该转动能也能够被转化成其他有用的能量，例如机械能。

是本领域技术的读者也会理解以上实施例中所公开的导叶仅仅是涡流形成装置的实施例。是本领域技术的读者会理解也能使用其他涡流形成装置。

此外，是本领域技术的读者会理解沿着所述水轮机的纵轴而逐渐减小的所述管道半径是优选的特征，以增加水的转速。然而，此特征能从以上任何一个实施例中被去除。

是本领域技术的读者也会理解虽然术语“沟”被用于以上的说明书中，该沟也能被定义为在两片浆叶之间的间隙。

Claims (11)

1.一种用于容纳水涡流的转子，该转子可包括

沟，该沟被布置为将所述水涡流从第一螺旋角引导至另一不同的螺旋角，以致该转子接收所述水涡流的转动能。

2.根据权利要求1所述的转子，其还包括用于接收所述水涡流的转子入口以及转子出口，所述转子出口的截面面积小于所述转子入口的截面面积。

3.根据前述任一权利要求所述的的转子，其还包括纵向延伸过转子的中央沟。

4.一种水轮机，其包括根据前述任一权利要求所述的的转子。

5.根据任意权利要求4所述的水轮机，其还包括引导装置，其中所述引导装置被布置为在水流过引导装置时引起涡流。

6.根据权利要求5所述的水轮机，其中所述引导装置具有水翼部分。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的水轮机，其中所述引导装置从所述水轮机向着上游延伸，并包括位于所述水轮机的中央纵轴的涡旋泄离装置。

8.根据权利要求4所述的水轮机，其还包括入口，其中所述引导装置为多个围绕着所述入口布置的弓形部分。

9.根据权利要求8所述的水轮机，其还包括位于所述入口和所述转子之间的管道，其中所述管道在所述入口和所述转子之间为锥形，以致所述涡流的截面面积沿着所述水轮机的纵轴而减小。

10.根据权利要求4到9任何一项权利要求所述的水轮机，其还包括该安装在边缘上的发电机。

11.一种水轮机和转子，其参考附图的任意组合而大致在此所述以及如附图的任意组合所示。

Images