CN102369353A - 水电式管内涡轮机叶片 - Google Patents

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Abstract

以水电式管内涡轮机在特殊环境下工作需要在叶片形状上进行创新以及这里所提供的系统。一个例子是这些叶片的流线型比传统水电式涡轮机中所表现的流线型更大。

Description

水电式管内涡轮机叶片
技术领域
技术领域与背景技术
本发明涉及一种水电式涡轮机，尤其是涉及一种在受限制的空间，例如管内的涡轮机。在设计用于管内系统的涡轮机的叶片时，与已经实践超过至少两百年的标准水电式涡轮机相比，存在许多特殊挑战。代替将喷射水从空气中喷入涡轮机的叶片，管内涡轮机是将水从水中喷射到叶片，会遇到更高阻力，有时甚至会在系统内产生背压。
在专利文献中，已经有一些关于管内涡轮机的参考文献，包括本发明人的那些在先专利，但这里所描述的叶片构造是独特的。本发明描述了几种变化，因为不同的条件，例如流速、提升力等，需要不同的构造，但它们都响应于相同的核心问题，即如何在封闭空间内以最高的可能效率来获得来自水流的能量，同时产生在该涡轮机安装之前和之后的在压力上的精确降低。这里讨论了三种叶片的构造：杯型、推进器型和垂直轴型。
发明内容
本发明成功地通过提供一系列用于管内水电式涡轮机的高度流线型的叶片来克服目前已知的构造的缺陷。
本发明首次揭示了一种带有高度流线型的杯的水电式涡轮机，被限定为从中央的前点到外周的后点的角度是小于45度。
根据另一个实施例，所述涡轮机定位在管内。
本发明首次揭示了一种水电式涡轮机，包括杯，所述涡轮机的向前区域包括尖锐的单独的点或延伸的点。
根据另一个实施例，所述涡轮机定位在管内。
本发明首次揭示了一种水电式涡轮机，包括杯，所述涡轮机的前部分和后部分是不一致的，所述涡轮机的后部分是较浅的。
根据另一个实施例，所述涡轮机定位在管内。
根据另一个实施例，所述杯是空的，在所述涡轮机的前部分和后部分之间。
根据另一个实施例，所述杯的向前区域达到尖锐的单独的点或延伸的点。
本发明首次揭示了一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其中，所述杯型叶片的内圆周和外圆周是不对称的。
本发明首次揭示了一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其中，所述杯型叶片的后平台是不对称的。
本发明首次揭示了一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其中，所述杯型叶片的后平台具有比所述涡轮机的后部的横截面面积的大5%的横截面面积。
本发明首次揭示了一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其中，所述涡轮机的后部的横截面的平面是不垂直于所述杯型叶片的运动方向的。
根据另一个实施例，所述涡轮机是定位在管内。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括杯，这些杯延伸的外周不超过所述涡轮机的直径的50%。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括杯，这些杯的外圆周是与所述涡轮机的壁一致的，且这些杯的内圆周是与所述涡轮机的壁不一致的。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 推进器；
b. 在所述推进器上游的中央的圆锥形结构，通过连接到所述推进器的结构或者通过分离的结构来将所述中央的结构支持在合适的位置。
在一个实施例中，所述系统还包括：
c. 在所述中央的结构内的发电机。
在一个实施例中，所述系统还包括：
d. 导电的电线，从所述发电机沿着所述管延伸；
e. 电力输出系统，将至少两条所述电线的电力输出结合为单个的电力输出。
（这在管内系统所需的接口数量的减少方面是非常有用的。）
在一个实施例中，所述系统还包括：
c．在所述推进器的上游的外周变窄的结构。
在一个实施例中，所述系统还包括：
c．磁体，直接或间接附着到与线圈外环相关联的所述推进器的外周。
在一个实施例中，所述系统还包括：
d．在所述推进器的上游的外周变窄的结构，因而屏蔽所述磁体免受向前流动的流体的影响。
本发明首次揭示了一种用于水电式管内涡轮机的叶片支持物，其中，所述支持物是薄的，处于所述涡轮机的运动线内。
本发明首次揭示了一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a．垂直的轴涡轮机叶片。
根据另一个实施例，所述涡轮机的轴指向侧面。
附图说明
本发明在这里将仅通过实施例以及参照附图的方式进行描述，在这些附图中：
图1是CFD叶片分析的示意图。
图2是对称的杯型叶片的示意图。
图3是唇缘形的杯型叶片的示意图。
图4是外周鲨鱼形的杯型叶片的示意图。
图5是小丑笑的鲨鱼形的杯型叶片的示意图。
图6是薄的外周鲨鱼形的杯型叶片的示意图。
图7是锥形的杯型叶片的示意图。
图8是带有前沿带的椭圆形的杯型叶片的示意图。
图9是鲨鱼形的杯参数的示意图。
图10是更多的鲨鱼形的杯参数的示意图。
图11是编号1的叶片的杯参数的示意图。
图12是编号2的叶片的杯参数的示意图。
图13是编号3的叶片的杯参数的示意图。
图14是外周环形的杯型叶片的示意图。
图15是带有发电机的管内推进器的示意图。
图16是带有线圈的管内推进器的示意图。
图17是管内垂直轴涡轮机的示意图。
具体实施方式
本发明涉及新的叶片形状以及与涡轮机尤其是管内涡轮机的关系。
定义：本专利申请是处理流体的。除非另有说明，它是指任意类型的流体：水、油、气体等。
“叶片”是可以用“杯”来替代的术语，当这些叶片具有杯的形状时。
根据本发明所述的水电式涡轮机的叶片的原理和操作，可参考附图以及相关的说明来得以更好地理解。
现在参考附图，图1显示了带有杯（1）的涡轮机在带有喷嘴（3）的管（2）内的CFD（计算机化的流体动力学）模拟。这些喷嘴已经被用在水电式涡轮机内，以加速水进入所述涡轮机的叶片。位置（4）显示了最高速的区域。位置（5）显示了高速流的区域的变形，当高速流与叶片发生接触时。这显示了本发明所要解决的核心问题。如何使涡轮机在充满流体的环境（定义为携带能量的流体，且能量经过是基本类似的流体）内通过叶片构造来增加效率？如图1所示，流动环境和叶片都具有复杂的三维相互作用。需注意，尾部叶片的前端显示为推动高速流体离开所述杯而流向外周。需注意，贯穿所述涡轮机叶片的路径，在外周有更大流速。（这从黑白图来看可能是困难的。）这是一个新问题，即传统的水电式涡轮机没有遇到过。
两个最简单的解决方案是减少从喷嘴到杯的后部的距离，并使这些杯的前面流线型，这些方法都是之前没有做过的。
作为流线型的一部分，在由与所述管的横截面面积相关的所述叶片占用的横截面间隔与所述叶片到所述管的间隔的几何关系之间具有相互作用，例如外周或中央之间具有相互作用。
图2是对称的半球形杯（6）的示意图。它们在中央没有分界线，而在常规的水电式涡轮机具有分界线。这些杯是由薄的（在运动线内）、分离结构（7）来支持，分离的结构（7）附着到所述轴杆。
图3唇缘形的杯（8）的示意图。
图4是外周鲨鱼形的杯型叶片的示意图。前点（9）是非常流线型的。外部周长（10）是大致适合于所述涡轮机室的外部。在本图中，杯（11）的后部是几乎钻石型的，但它也可具有其他形状，这些形状是比前点（9）的形状更宽。它们是通过薄结构（12）而被支持到轴杆。
图5是小丑笑的鲨鱼形的杯型叶片的示意图。这个变体也具有尖锐的向前区域（13），但该点是宽的，代替单独的点，且它的外部周长（14）也近似于所述涡轮机室的外部周长。内部周长是一条曲线，该曲线是与所述涡轮机的室的形状相一致的，以致平滑表面是有效地展示给在内部的涡轮机流体。当它旋转时，它产生了几乎均匀的表面。
图6是薄的外周鲨鱼形的杯型叶片的示意图。它具有非常薄的前点（16）和薄的杯体（17）。在相邻叶片之间的间隙（18）减少了重量。图6显示了所述杯的尺寸如何能被显著减小，以便获得用于特定设备的最小量的功率，同时不妨碍在管内的流动，或者便于减少特定量的压力。
图7是锥形的杯型叶片的示意图。这些杯具有尖锐的前点（19）和后面的杯（20），理想地，杯的内部是部分填充的。
图8是带有前沿带（21）的椭圆形的杯型叶片的示意图。这里，单个薄的结构（22）将所述叶片连接到轴杆。这个带的设计不是必要部分，也可采用任意构造。
图9是鲨鱼形的杯参数的示意图。内部圆周（23）和外部圆周（24）到达在前面的尖锐的点。在后部的杯（25）内部分填充使得后部的杯接近于所述喷嘴。
图10是更多的鲨鱼形的杯参数的示意图。所述杯的外部周长（27）、前点（26）和涡轮机的内部周长（28）已经在之前显示过。本图特别显示了所述杯的后面（29、30）的角度作为另一个参数。在部分（27）和部分（28）之间的角度可根据叶片与喷嘴以及其他涡轮机条件的关系而被调整。在这两种关系中，后面杯是与所述叶片的向前运动成锐角的。
图11是编号1的叶片的杯参数的示意图。代替达到某个点，前面的杯形（31）与后面的杯形（32）具有一个加厚的、类似平台的区域（33），因为它们是基本上一致的。
图12是编号2的叶片的杯参数的示意图。前面的杯形（34）与后面的杯形（35）包括不一致的圆形。
图13是编号3的叶片的杯参数的示意图。该图显示了如何让任意形状能提供不一致的后面的杯（38），这里是带有前点（36）的锥形。这里的一个特殊点是可能使得所述杯的内部为空（37）。带有锥形的变体的相同概念是在（39）中可见的。在一个这样的变体中，后面的杯和它的平台在后面的横截面是对称的。但也不必然需要这样。另一种带有鲨鱼型结构的叶片具有内部周长（42）、外部周长（43），且后面的杯（44）在前面的横截面是不对称的，以致对称的外部的横截面（45）具有一个内部的对称的横截面（46），该横截面是偏离中心的，使得平台（47）不规则。
图14是外周环形的杯型叶片的示意图。一个管形的内部区域（48）是由圆形的杯（49）来围绕的。
几种普通的原理显现出来。内部区域应当是左边开放，内部一半区域是免除叶片阻碍的，原因在于：叶片能在一个区域少量重叠，占据另一个叶片的减少的间隙。较慢流动的区域是在内部上的。这与模拟显示的结果相适合。这导致在内部侧面上采用高度流线型叶片的概念，同时外部区域与管和它的侧室的形状相一致。这样将较慢的移动流体偏转到中央。一个好的方式是：它是鲨鱼头的形状；后面的端部具有杯的形状，在一个实施例中，流体是相反喷射的，以致所述叶片的内部是可选地中空的。在另一个实施例中，后面的杯形是开放的。后背的缺口或杯是浅的，比前面边缘更浅，因而使得叶片能更加接近于流体的来源。
一个变体是将背部表面（29、30）倾斜直到从垂直于所述管的外表面起在所述喷嘴的方向上成约20度，以便被引导到如图1所示的更高流速的流动。这个方法是：背部表面角度应当是垂直于最高流速的矢量方向。 
图15是带有发电机的管内推进器的示意图。一个管（50）支持一个结构（51），该结构支持一个推进器（52）。这里，在外周的一个环（53）和中央结构（54），理想地是锥形的，流体在中央漏斗流动。在一个实施例中，中央锥形物也能支持发电机（55）。在一个实施例中，电线可接着在所述管的内部延伸，直至该电线到达一个合适的位置，供电线离开或与其他电源结合。
本发明所述构造的一个创新处是：所述叶片是由在叶片的上游的结构来支持，在一个实施例中，是在管内。这使得流偏转装置可被放置在轮毂的中央位置，以致它使流体外围地和对称地转移，因为在所述轮毂之上的运动使无用的。上游固定和中央流偏转装置的接合是独特的，带有或不带有外周流偏转装置，理想上也是对称的。
图16是带有线圈的管内推进器的示意图。类似地，结构（58）支持在管内的推进器（57），一个漏斗系统是部分地存在。这里的不同在于：由所述漏斗系统屏蔽的叶片的末端具有磁体（60）和用于线圈（61）的外部环。
一个替代系统可以是以推进器轴杆附着到齿轮或附着到齿轮与皮带结构，接着直接或通过磁耦合来转动发电机的轴。
改变所述推进器的形状和尺寸以适应在上游与下游区域之间的在压力方面的差异降低的装置与方法都因此而被展示。
图17是管内垂直轴涡轮机的示意图。该图显示了处于S形状（63、65）的双叶片变化，这是在这个环境下作为一个具体实施方式而被要求保护的。在具有Savonius风力类型的中央间隙的双叶片变体的应用也被要求保护。该轴杆的轴可以是垂直的（62）或水平的（64）。原因在于：理论上构造b（64）将与在图1中所示的喷嘴一起工作得更好，这样显示了涡轮机的旋转与推动液体到外部的重力。具有这样的方向，整个底部可接受在它的操作的矢量上的增加的流动区域。在所有例子中，所述叶片不会必然需要近似于所述管的横截面，且它们也可以是更小。
这里是相关的杯参数的总结：
杯的横截面与管的横截面在面积上的关系；
杯的外周位置；
前部结构的形状、角度和尺寸；
后部结构的形状、角度和尺寸；
外周侧面的形状、角度和尺寸；
中央侧面的形状、角度和尺寸；
支持所述杯的结构。
虽然本发明已经根据有限数量的实施例进行了说明，但应当明确的是，本发明的许多变化、修饰和其他应用都是可实现的。 

Claims (25)

1.一种带有高度流线型的杯的水电式涡轮机，被限定为从中央的前点到外周的后点的角度是小于45度。
2.根据权利要求1所述的涡轮机，其特征在于：所述涡轮机定位在管内。
3.一种水电式涡轮机，包括杯，所述涡轮机的向前区域包括尖锐的单独的点或延伸的点。
4.根据权利要求3所述的涡轮机，其特征在于：所述涡轮机定位在管内。
5.一种水电式涡轮机，包括杯，所述涡轮机的前部分和后部分是不一致的，所述涡轮机的后部分是较浅的。
6.根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于：所述涡轮机定位在管内。
7.根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于：所述杯是空的，在所述涡轮机的前部分和后部分之间。
8.根据权利要求5所述的涡轮机，其特征在于：所述杯的向前区域达到尖锐的单独的点或延伸的点。
9.一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其特征在于：所述杯型叶片的内圆周和外圆周是不对称的。
10.一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其特征在于：所述杯型叶片的后平台是不对称的。
11.一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其特征在于：所述杯型叶片的后平台具有比所述涡轮机的后部的横截面面积的大5%的横截面面积。
12.一种用于水电式管内涡轮机的杯型叶片，其特征在于：所述涡轮机的后部的横截面的平面是不垂直于所述杯型叶片的运动方向的。
13.根据权利要求12所述的杯型叶片，其特征在于：所述涡轮机是定位在管内。
14.一种在管内的水电式涡轮机，包括杯，这些杯延伸的外周不超过所述涡轮机的直径的50%。
15.一种在管内的水电式涡轮机，包括杯，这些杯的外圆周是与所述涡轮机的壁一致的，且这些杯的内圆周是与所述涡轮机的壁不一致的。
16.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a. 推进器；
b. 在所述推进器上游的中央的圆锥形结构，通过连接到所述推进器的结构或者通过分离的结构来将所述中央的结构支持在合适的位置。
17.根据权利要求16的涡轮机，其特征在于，还包括：
c. 在所述中央的结构内的发电机。
18.根据权利要求17所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
d. 导电的电线，从所述发电机沿着所述管延伸；
e. 电力输出系统，将至少两条所述电线的电力输出结合为单个的电力输出。
19.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
c．在所述推进器的上游的外周变窄的结构。
20.根据权利要求16所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
c．磁体，直接或间接附着到与线圈外环相关联的所述推进器的外周。
21.根据权利要求20所述的涡轮机，其特征在于，还包括：
d．在所述推进器的上游的外周变窄的结构，因而屏蔽所述磁体免受向前流动的流体的影响。
22.一种用于水电式管内涡轮机的叶片支持物，其特征在于：所述支持物是薄的，处于所述涡轮机的运动线内。
23.一种在管内的水电式涡轮机，包括：
a．垂直的轴涡轮机叶片。
24.根据权利要求23所述的涡轮机，其特征在于：所述叶片是带有间隙的Savonius类型的叶片。
25.根据权利要求23所述的涡轮机，其特征在于：所述涡轮机的轴指向侧面。
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