CN104040168B - 流体流动能转换器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种包含一个曲面状结构的振荡器。曲面状结构包括一个曲面片和一个张紧线。当曲面状结构的张紧线伸展在两个固定的或半固定点之间，曲面状结构置于流体场中，振荡引发张紧线的张力振荡和张紧线在垂直于与平行于流体流动方向的运动。能量转换设备将振荡能耦合出振荡器，包括与所述张紧线伸展方向的耦合以及在垂直于张紧线方向的耦合。

Description

流体流动能转换器

技术领域：

本发明涉及一种能量转换方式和输出能量的方法。本申请通过并入和整体引用，要求对2012年1月11日提交的美国临时专利申请61/585,558“流体流动能转换器”的优先权；和2012年2月3日提交的美国临时专利申请61/594,707“流体流动能转换器”的优先权。

发明背景：

转换风力和水力成为可用能源是人们经久不息的追求。弗莱因·肖恩披露了如何使用振荡膜于能量转换，包括各种膜振荡进行能量转换的机理。参见PCT公开的WO2008151008，题为“利用流体诱导振荡的能量转换器”，其原理纳入本文作为参考。特别是将振荡运动转换为电能的机制，一般适用下文记述的振荡器的发明。大卫·拉布雷克公开了一种旋翼系统进行能量转换，利用在张紧线方向的振荡进行能量转换。参见美国专利申请书20090285668，其原理纳入本文作为参考。利用在张紧线方向的振荡进行能量转换的机制，适用下文记述的振荡器的发明。

发明内容 新型振荡器

本人在此公开一种新颖的振荡器的发明，其受流体驱动而振荡，并带有将能量输出的耦合机制。新型振荡器包含一个曲面结构。弯曲的曲面结构包括一个曲面片材和一个张紧线。曲面片固定在两个刚性或半刚性固定点之间。当置于流体流场11中时，曲面结构发生振荡。曲面片进行三维振荡，基本模式振荡的空间波长约为两个固定点距离P的两倍，参见图2A，2B所示曲面结构前缘的模式图。参照图1，能量从流体流场30传送到曲面片结构14。曲面片结构14包括曲面片20和张紧线10。张紧线的张力随振荡的频率周期性变化。张紧线10在振荡的张力作用下，周期性地沿X和Y方向移动。这些周期性的运动和张力耦合到能量转换装置30，从振荡器中提取能量。

能量转换耦合装置

一类能量转换装置30，沿着张紧线10耦合；在点P不限制张紧线沿张力方向伸展。例如，可于点P装置一个滑轮或弹簧装置。由于张力的周期性变化，运动由能量转换装置30转换为有用的能量。

另一类能量转换装置30，依靠张紧线在X和Y方向上运动施加的力，在距固定点P的非零距离处耦合张紧线。

还有一类能量转换装置30，在固定点P用一个压电器件(沿张力的张紧线10的方向，由具有微小形变的压电材料制成)转换张力为电压。

曲面的曲率

除开图2A，2B所示由张紧线10的时间运动轨迹所代表的振荡模式，曲面片的曲面应抑制所有其它振荡模式。这个曲率是流体流场为零时曲面片的曲率。更理想的情况，应为曲面片处于从零重力，零流动和零张力下的曲率。特别注意，无论实心板或网板，对偏离平面的弯曲力矩呈最小阻力时，在所有外部施力不存在的情况下，重力仍可引起曲率变化。例如重力使片材落地的情况。

片材上某点沿某方向上的曲率，以下记做该点半径R的倒数，曲率值等于1/R。曲率矢量的方向由该点到曲率圆定义的圆心确定。在该曲面片的结构里，曲面上所有点的曲率，无论是离开曲面，或穿过曲面，均指向相同方向；即，曲面所有点上曲率具有相同的符号或方向。也就是说，曲面片不含有曲率反转点或鞍点。例外情况下，曲率反转点或鞍点可能在(相对曲面片总面积)很小的区域存在，或因材料缺陷，或因制造工艺引起。一般地，曲面片结构表面面积的50％以上必须是曲率矢量指向同侧远端，以诱导流体激发首选的模式振荡。最好是70％以上，更优选为80％以上。当此曲面片安装到振荡器并通过张紧线施加适当张力时，曲率条件得以保持。此曲率条件通常存在当曲面片材结构处于零应力的情形，除非弯曲部分或全部地依靠张紧线施加张力产生的情形。

固定点间的曲面片

为形成曲面片结构的振荡，曲面片必须在两个固定的或基本固定的点之间伸展。它必须至少占有两个固定或基本固定的点之间长度的30％，方足以引起振荡。理想地，曲面片板伸展至两个固定或基本固定的点之间长度的60％；更理想地，曲面片板延伸至两个固定或基本固定的点之间长度的80％；最理想地，曲面片伸展至两个固定或基本固定的点之间长度的90％.

曲面片结构振荡的说明

曲面片后缘的振荡轨迹见图1-2中的Y方向。张紧线10限定了曲面片的前缘。这种情况的存在，直到张紧线达到它沿Y方向的的两个极值之一位置(+Y_max和-Y_max，如图2A所示)。当张紧线达到+Y_max开始向-Y_max回振时，曲面片的曲率矢量开始反转。因此流体沿Y轴方向施加到所述曲面片结构的力，每半个振荡周期在Y方向变换一次方向，提供正向反馈并将所述流体流动能量转移到振荡器。

图1是解释新型振荡器运作和约束的简图。使用两固定点令张紧线一端不动并非必需，而在许多的能量转换装置的替代方案中，亦无此设计。曲面片20的矩形形状不属优选。理想地，所述曲面片20边缘应无尖角，无直角。曲面片20边缘连接到张紧线的两个位置，角度最好至小于90度，理想地，小于60度，更理想地，小于30度。所述曲面片20的后缘应当是平滑弯曲的，没有突然起伏，否则难以形成合适的曲面。

图1和2未表示出曲面片结构20的曲率。相对较小的弯曲幅度，如下文所述，已足以实现单模振荡。图5示出无应力条件下，三维空间中的曲面片结构结构。图5示出实施例，表明如何赋予平坦片材以曲率，以形成所述曲面片。

图1和2未表示出耦合转换装置30和张紧线10的联接机制。各种耦合转换装置30示于图7-11，19-20，25。在一些装置中，如图8和图20所示，固定点P变成一个可移动的点，或由滑轮替换，或联接一个其远端被固定的弹簧来耦合。这种耦合可以取消一个或两个固定点P。因此连接张紧线到一个或多个严格固定的点，不是传递输出曲面结构能量的必要条件。

能量转换器30，将振荡位移或张紧线10的张力转换成下述方式之一：往复直线运动；圆周运动；或电压和电流。基模振荡有利于高效和可靠的转换张紧线10在X和Y方向的摆动运动和张紧线10的振荡张力。

进行周期性运动的片材的基模运动具有以下特点。前缘沿横向振荡，所谓横向是(1)垂直于流体流动方向；和(2)垂直于固定点连线的方向。前缘沿横向振荡，这样，在同一时间所有的前缘位于通过两个固定点的延伸，在连线的一侧；半个周期以后，前缘位于另一侧，与前述位置相对。这一基本模式在图1，2的Y方向振荡，其频率随张紧线增张力增加，随着流体速度增加。

影响振荡模式的形状、硬度，及尺度的约束

约束影响置于流体中的片材的振荡模式。一种约束是曲面片的前缘形状。如果前缘为凸，曲面片前缘的中央区域可能在流体压力下变形，回折片材的其余部分，从而破坏单模振荡。如果前缘为凸(无应力条件下)，并且前缘被机械地联接到所述张紧线，那么由张紧线张力引起的应力沿伸展方向，在曲面片附近张紧，改变曲面片的曲率。观察表明，这种结构的张力降低靠近前缘的曲率，或者说减小曲面片的弯曲。

曲面片如果具有相对较高的硬度，则易于在沿流体流动的方向上阻尼周期振荡。使振荡频率与前述理想基本模式不同，这是所不希望的。缩小曲面片在平行于流体的方向的尺寸可消除振荡中的长波和低频成分。适当加长曲面片前缘和后缘的距离是可取的，因为它提供相对较大的面积使流体流过，其流动的能量可以被转换成振荡能量。

扩展两个固定点间片材的长度，增加优选的基模的波长，降低该模式的频率，并增加两固定点间各种频率或波长振荡的允许驻波模式的数量。提高张力往往会抑制前缘的高阶振荡。一旦首选的基本模式达到了显著幅度，其他模式即为能级禁阻，因为首选基本模式引起张紧线弯曲，并限制曲面片与张紧线的耦连。

沿着所述片材的后缘振荡基本上不受前缘张力的制约。后缘振荡一般趋于阻碍在优选模式内的能量积累。两个固定点间距离越长，则需要更高拉伸强度强度的材料(绳子，索具，链条，或单丝)，即须加强张紧线的质量和硬度。理想地，张紧线10选用弹性材料，如聚合物绳索而不用链条。

能量考虑和曲面片阻尼

为了抑制的片材中振荡的所有非基本模式，片材中每一个点应在两个独立的方向上弯曲。这种弯曲的形状近似于半个蛤壳的形状，即从前缘至后缘，从底部至顶部，曲线曲率两两指向远离曲面片的同一侧。

该弯曲形状的结果是，片材的所有区域具有相同的曲率符号，即，所有点的曲率矢量指向薄片的同一侧。当流体诱导应力存在时，曲面片处于最低能量状态。在每一点取反向曲率，曲面片处于相同的能量状态，所以这两个能态是简并的。所有的能量状态中，曲面片曲率矢量指向薄片远离侧的是更高的能量状态，因为它消耗应力势能。因此，相同的符号的曲率在整个曲面片上阻尼平行上述基本模式的振荡。阻尼高次模振荡的结果是，优选基模振荡的片材长度没有限制。

如果曲面片沿着所述方向从前缘到后缘保持独立于基模振荡位相的曲率符号，则基模振荡会受到抑制。片材必须具有足够的柔韧性，以使该方向的曲率符号随基模振荡翻转。上述对称性和能量参数表明，曲率符号要与振荡换向基本同时改变。为了保证曲面片曲率反转，片材的中间和后缘必须有足够的弹性，即足够低的杨氏模量。曲面片设计可满足该条件，因为曲率反转所需的能量不大于拉平片材的能量。拉平每单位体积片材所需的能量密度为1/2的杨氏模量乘应变张力的平方。流体对片材施的压力是流体流量密度和速度的函数。具体而言，是1/2流量密度乘速度的平方再乘形状因子。形状因子取决于风速方向与曲面片法线方向的相对角度，数量级为1。片材体积随宽度减小而降低，选择相应的薄片足以使片材的曲率在给定的流体和流体速度下及时切换。同样，增加速度可以克服任何特定片材的变向阻力，因为压力与流体速度大小的平方成正比。使用面积介乎约百分之一平方米到几平方米，厚度千分之几英到百分之一英寸，具有不同曲率的各种聚合物片材的实验得出截止风速为每小时几十至2英里，再低则不会发生的振荡。换句话说，对传统片材，振荡可以在很宽泛的片型和风速条件下发生。适用于本发明的片材的杨氏模量应在约0.01到10.0GPa的范围(约每平方英寸1,500至1,400,000磅)。这些片材包括但不限于：橡胶；特氟隆；聚乙烯；聚丙烯；聚苯乙烯；人造丝；和尼龙。

张紧线10可以是任意成分的绳子，包括单股聚合物绳或链条。选择张紧线应能够承受振荡期间可能的预期张力。还要有安全释放机制，在张力过量情形从固定点脱开张紧线，以避免张紧线损坏。

曲面片成型方法

可以用各种不同的方式形成本发明的曲面片。曲面片可以是机织、或挤压成型、或模塑。平面片材可具有缺角部分，即在平面后缘切出“V”形或类似的开口，曲面在V”形的一侧或两侧形成。在“V”形相对面将缺口连接。“V”形或褶皱的设计是为了前述曲面的形成。连接可以是缝制，塑化，熔融，胶接，或其它类似手段。这种制备过程中可能会产生沿各个方向的褶痕，在曲面上保留着褶皱。变通方法是圆环提拉法，在一个很小的区域里把材料捏到一起，这样可以限制或去除环心附近的径向应变张力。

流体振荡器比较数据

一个实际的测试装置(下文记为C1)，基本上表现出优选的基本模式振荡：前缘片材长度为130英寸；该前缘是基本上是直的；后缘形成新月形，距前缘的中心16英寸，呈凸形；后缘有1.8英寸被捏起形成褶皱，沿后缘分布于3处。同时在相同位置，取前缘和后缘距离之半，形成小于1英寸的褶皱。片材为防裂尼龙，厚度为0.003英寸(0.00008米)，中心宽度16英寸。图5示出在平面视图中曲面片的形状；褶皱位置为51至56。这样提供了沿后缘为1.5/130＝0.01弧度反转的最大应力。张力线由0.05英寸直径(除去纤维之间空气)的亚麻线绳制成的。绞合绳，其0.5英寸直径约为麻绳的10倍和片材厚度的16倍。将一个半英寸片材的前缘包裹亚麻绳并由管道胶带固定。胶带宽2英寸。胶带在压力下粘结，并有纤维嵌入其中，以增加强度。四分之一英寸的片材的接触管道胶带，其余1.75英寸的管道胶带粘结到片材的相对的表面。在这种方式下，在片材伸展时，亚麻绳子可靠地嵌在片材前缘，每一皱襞都由2x2英寸的胶带从曲面片两面加固。胶带固定保护亚麻麻绳在扩展运动中，不至发生曲面片脱落或在流体作用下皱缩。亚麻绳在距曲面片顶端约4英寸的距离，被固定到一个12英尺铝杆顶端。

在加入褶皱之前，上述装置被用于振荡测试。首先，在每小时几英里的均匀的流体流动(依靠风力，或快速移动铝杆)中实验。然后，摇动铝杆，这样做圆周运动时高端移动速度要大于底端。这两类试验中，分别改变了张力和张紧线底端在铝杆的位置。但是，前缘没有发生均衡的周期振荡。结论：没有发现明显的所期望的基本模式振荡。相反，观察到传统的空气动力学的颤振扰动混合模式和沿渗透距离的的非相干运动。

在后缘加入3个褶皱(图5：52，54，56)后，继续前述设备的振荡测试。首先，在每小时几英里的均匀的流体流动(依靠风力，或快速移动铝杆)中实验。然后，摇动铝杆，这样做圆周运动时高端移动速度要大于底端。这两类试验中，分别改变了张力和张紧线底端在铝杆的位置。在所有实例中，均部分地实现了期望的基本模式振荡。但是，后缘相对前缘在更高的频率下振荡。振荡力可以被装置底部手握住张紧线的人所感知。

在后缘加入3褶皱(图5：52，54，56)后，再添加前缘和后缘距离之半处的三个褶皱(图5：51，53，55)，上述装置被用于振荡测试。首先，在每小时几英里的均匀的流体流动(依靠风力，或快速移动铝杆)中实验。然后，摇动铝杆，这样做圆周运动时高端移动速度要大于底端。在所有实例中，均实现了期望的基本模式振荡。很强大的振荡力被装置底部手提住张紧线的人所感知。这包括在摇动铝杆试验中杆顶风速大于底部的情形，表明在沿片材长方向风速差别很大的形势下，其它振荡模式得到了有效的抑制。

应当说明的是，这个130英寸长的片材装置是在制备测试了许多小型装置后，进行的比例放大实验。早期较小的装置已表明，对任何片材长度(沿流体流动方向从几厘米到几英尺长，风速大约每小时3-10英里(由一组4个垂直堆叠的箱式风扇产生))，均可产生首选的基模振荡。这些早期的小型装置显示前后缘距离约12厘米导致首选模式的最大振荡。所有5英尺装置在首选模式振荡，除却前缘为凸的几例。还进行了颤振测试，包括一个使用了2英寸宽胶带和亚麻绳的装置。其它材料包括聚酰胺纤维，人造纤维等。除了最硬的材料外，所有其它材料都在每小时3-10英里的风速中出现颤振，表明上述片材的选择是适当的。

继5英尺装置后，几个9-10英尺和130英寸的装置都进行了测试。这些装置有不同的尺寸。仅有前缘非凸及至少后缘卷曲的装置出现首选的基模振荡。

若干振荡器接上了电转换装置，包括磁体、线圈；在某些实验中，还使用了二极管电桥、分流电阻、并光电二极管用于显示。其中一种耦合将一个金属杆的端部贴近张紧线底部的固定点，杆连磁铁，水平穿过线圈。所述杆被可旋转地联接到张紧线，它可以绕张紧线转动。磁铁在开口的线圈来回振荡，从而产生周期性的几伏特电压，呈现在在示波器上。这种使杆转动的连接方式要求两点P保持固定，因此在这种耦合方式，感应电动势的周期没有改变。另一种能量转换装置包括一个弹簧，端部的连接到地面固定点。另一端连接一个磁体组件的，并连接到张紧绳的下端。这种机制不为首选，因为除了向上和向下摆动，还有流体流动方向引起的张紧绳侧向的振荡，造成磁铁和线圈的碰撞。在引用的出版物中还有其他能量转换装置的记述。本申请的图例里仅对新型装置加以指明。

一个具有相对较大的凹前缘(130英寸)装置未能实现首选的基模振荡。该装置在通过张紧线施加前缘张力之前，在前缘基本呈凸形。该装置不能振荡因为张紧张力前缘时，即曲面片的前表面，导致后面的松弛。松弛的后面与滤除非基模振荡应为正曲率的要求相背，

一个9-10英尺装置具有直的后缘和直的前缘，前后缘距离约12厘米；产生了首选的振荡基本模式。然而，在后缘一些高阶模式没有被完全抑制。该装置后缘有3个小褶皱，每个大约0.2英寸。在这个装置中增加了褶皱，形成零应力条件下弯曲的片材表面。直前缘成为凸状，从而防止无张力时前缘的振荡。必须对前缘施加相当的张力，克服前缘凹曲对首选振荡的阻尼。可能是因为这种启动前缘基模振荡过分的张力需求，导致后缘无法对非优选的振荡模式的有效阻尼。

观测表明，前缘的周期振荡发生在两个方向，即侧流方向和流体流动的方向，如图2A和2B所示。在流体流动的方向上的振荡的频率(在图1-2中X方向)是侧流方向(垂直于流体方向；垂直于两个固定点之间的连线，见图1-2中Y方向)上的频率的两倍。前缘的每个点在振荡中形成一个变形的数字“8”，如图3所示。在整个振荡周期里，数字“8”沿流体方向达到极值的次数为垂直流体方向的两倍。沿垂直于流体流动方向(图1-2中Y方向)上的振荡通常比沿流体流动方向上的振荡大得多。但是，在流体流动的方向的振荡也可以利用，例如用齿条和小齿轮耦合，在侧流方向的运动偏向一侧时，实现能量转换(例如，图10)。

变通办法，所述张紧线可以限制在一个形状类似“8”的内表面空间，但于连接点处有一开口。装置齿条齿轮于相邻的开放空间，使得张紧线在约束内表面上沿8字形的运动驱动齿轮(例如图10)。

下面的结果表明，片材的非常小的曲率就可以完全阻尼非首选振荡模式。以下展示C2-C9的结果，其中变更了前述C1装置中褶皱的长度。这些振荡器装置在中心和距两端1/2处(从各片材底部起，大约32，65，98英寸)设有褶皱。C1后缘褶皱为0.4，0.5和0.4英寸；中部褶皱取1/2值。C1到C9结果见下。参见图5，这些结果显示首选振荡模式如何在不同褶皱宽度生成的曲面上实现；以及其他因素，例如前缘凹陷和张紧线张力对振荡的影响。

C1：后缘褶皱，以英寸计：0.4；0.5；0.4。前后缘间中部褶皱：0.2；0.25；0.2。结果：强烈首选振荡；无杂乱振荡。

C2：后缘褶皱，以英寸计：0.2；0.25；0.2。前后缘间中部褶皱：0.2；0.25；0.2。结果：强烈首选振荡；后缘出现一些杂乱振荡。

C3：后缘褶皱，以英寸计：0.0；0.0；0.0。前后缘间中部褶皱：0.2；0.25；0.2。结果：强烈首选振荡；后缘基本无杂乱振荡，但比首选振荡的频率更高。

C4：后缘褶皱，以英寸计：0.8；01.0；0.8。前后缘间中部褶皱：0.2；0.25；0.2。结果：无张力时前缘稍凸。需要起始张力消除前缘凹陷并开始振荡。无张力时无振荡。起始张力去除前缘凹陷后，装置可在低风速(约每小时1-4英里)进行基本模式振荡。在较高风速，前缘和后缘以相谐方式振荡，即，沿着它们各自的长度，振荡拥有共同的相位和单一频率。不过，后缘振荡频率高于前缘频率。也就是说，后缘额外的张力或曲面有效地分离前缘后缘，使得两种不同的振荡模式同时存在，一个在前缘，一个在后缘。这两种振荡均表现强劲。

C5：后缘褶皱，以英寸计：0.8；01.0；0.8。前后缘间中部褶皱：0.4；0.5；0.4。结果：前沿最初为凹。无张力时无振荡。在较高风速，张力足够去除前缘凹陷后，装置进行基本模式振荡。振荡强劲，即使前缘张力松懈，气流仍然维持振荡。

C6：后缘褶皱，以英寸计：0.2；0.25；0.2。前后缘间中部褶皱：0.1；0.125；0.1。结果：后缘表现出相谐的强劲的基模振荡。前缘仅有依赖于张紧张力的微弱基模振荡。大张力引起最小的基模振荡。

C7：后缘褶皱，以英寸计：0.2；0.25；0.2。前后缘间中部褶皱：0.1；0.75；0.1。结果：前缘的高张力在所有风速条件下，引发基本模式振荡。如果张力降低，则任何风速下无基模振荡。

C8：后缘褶皱，以英寸计：0.2；0.25；0.2。前后缘间中部褶皱：0.1；0.125；0.1。结果：后缘表现出相谐的基模振荡，但是振荡与前缘脱耦。前缘没有表现出实质性的振荡。

C9：后缘褶皱，以英寸计：0.0；0.0；0.0.。前后缘间中部褶皱：0.0；0.0；0.0。结果：如前已述，无基模振荡，仅有气动颤振。

上述C1-C9结果表明：诱导出片材中间和后缘应力，即可引发首选基模振荡。基本模式振荡可以在大范围的风速条件和前缘张力条件下产生。大范围的风速条件和前缘张力条件下产生稳定基模振荡的结构，属于那些褶皱长度从前缘到后缘线性增加的片材。诱发基模振荡需有一个最低量的张力。对于沿空气流动方向片材长度超出12厘米的情形，需要在片材内部(不仅仅是后缘)诱发应力，以抑制杂散振荡。应当清楚，附加约束褶皱使片材中应力更为均匀。是均匀应力(而主要不是因为褶皱的位置)的作用使基模振荡更为稳定。显然，类似的设计亦将有效地诱发在其它流体(例如水)中的基模振荡。

曲率比值CR和单模振荡表征

例子C1-C9的曲率，其中片材的特征可用减缩长度与前缘总长度比值表征。

定义LEL，前缘长度，是曲面片的前边缘的长度。在例C1-C9，此为130英寸。

定义DTF，褶皱位置，是从片材的前缘的点到平行前缘线上褶皱位置的长度。

定义FL，褶皱长度，是褶皱在DTF指定位置占用的片材长度。

例C1-C9中曲率的程度，由曲率比值CR表征：

CR＝FL除以LEL和DTF的乘积，或CR＝FL/(LEL x DTF)。CR具有长度倒数的量纲单位。

全部实例中LEL为130英寸。DTF或是8英寸或是16英寸。CR值表明，DTF＝8英寸和16英寸具有相同CR值时，振荡器的理想单模振荡发生在CR＞0.0003(对于C6，CR＝0.0003125；对于C1，CR＝0.000625；对于C5，CR＝0.00125；这些例子表明CR不依赖于DTF)。发生完全的单模振荡时，CR应为0.0006或更高(实施例C1，C5)。

例如，当在DTF8英寸和16英寸处CR不同，前缘的振荡模式和后缘振荡模式倾向于去耦，所以双模式振荡发生(实例C3，C4和C8发生去耦)。当CR＝0(无任何曲率，例如C9)，仅空气动力学颤振发生(大量不同的空间频率模式和无相干振荡)。籍此曲面得以表征。

额外的褶皱可以添加在不同的位置(整个片材里对前缘的不同距离)来形成曲率，以抑制杂散振荡。缩减后缘边长的比例以得到所需的(基本模式)振荡，应与片材尺寸无关。即，建立所需振荡模式的片材从前缘到后缘，从顶部到底部的曲率，与片材大小没有关系。所以，C1结构，及与C1类似但后缘形状有所变化的结构，可扩展到任意大小。沿流体流动方向上的片材的长度和垂直于流体流动方向上的长度均可以增加，以增强张紧线中的振荡张力，而张紧线的强度亦需要增加。这些变化不会增加保证基模振荡的截止风速；增加片材尺寸还可以降低截止风速。

其它方案

在水以及其它液体里，由于它的高密度，沿着流动方向的片材可以以相对在空气中短得多长度，获得在相同的作用力。前缘的起始小凹形可能是必须的，以抗衡曲面造成的中间区域和后缘对前缘的变形张力。

变通的含刚性板元件的曲面片设计示于图11-15，讨论如下。

虽然目前不予推荐，但可以使用其它替代性质的片材于相同的曲面概念。例如，各种形状的分立的刚性板(正方形，矩形，三角形，梯形)，可以彼此通过柔性元件链接，如弹簧，铁丝，链条，线绳固定在具有一定曲率义有足够的(由柔韧性的弹簧，铁丝，链条或线绳产生)柔韧性的复合表面上。使用刚性板，无论是硬质塑料，金属，晶体或陶瓷材料，加之高强度的连接器(从弹簧，连线，链条或线绳)，比起软性片材包括天然丝，碳纤维或聚合物纤维等，提供在更高的流体流速中操作的可能性。

分立的刚性板和柔性片材可以混合使用。例如，分立的板可以用在前缘；柔性片材用于后缘。这种设计的一个可能的优点在于，柔性后缘片对于低流速下造成的空气动力学颤振敏感；而一个刚性的高张力前边缘具有较高的最终失效强度。刚性前缘的大质量可能会减慢首选基模振荡的频率。在这种类型的结构中，张力的线设置于前缘后方，因为前缘是刚性的，不会因流体冲击而变形回折，也不会因前缘后方的曲面应力而凸起。此外，已知对于某些配置，沿固 定侧翼轴线方向会对流体产生响应。相应振荡发生在上述结构里，引起类似的张紧线张力的周期振荡；和垂直于所述侧翼旋转轴两个方向上的位移。

另一替代方案使用平行的曲面片，各自有类似的设计(尺寸，诱发应力，和流体速度为零时相同的前缘张力)，可以彼此联接。例如通过绳，线或索具，沿前缘或后缘，或两者，或沿边缘的各处联接到一起。连接绳长度约等于每个平行曲面片固定点之间的距离。耦合后的平行曲面片以相同相位和频率振荡。耦合把各张紧线的张力汇集成单一的线张力，在这一条线上同步振荡。

另外，复数个类似设计的曲面片可以全部线性耦合以旋转驱动同一主轴，其中各个曲面片振荡的频率，相位和幅度可以不同。在这种情况下，这些连接可以间歇地由单独的齿条联接到所述主轴。只当齿条移动速度在一个方向上比小齿轮快时锁定。当齿轮移动速度快于齿条时锁定取消，齿轮滑过齿条。

图例的简要说明

图例展示上述发明的各个方面。类似的特征使用相同参考附图和描述说明。除非另加注释，在实施例中所示的部件是可以互换的相应部件，在其它实施例中提供相同的通用功能。

图1是一种新颖的装置1，可将流体运动转换成可用能源；

图2A是图1中装置的另一示意图，显示YZ平面的理想基模振荡；

图2B是图1中装置的另一示意图，显示XZ平面的理想基模振荡；

图3是沿z方向高度Z_O的XY平面，显示理想基模振荡时，图1装置1中张紧线10的轨迹。

图4是上面讨论的C1-C9的实施例的示意图，显示其在图1的ZX平面形状；

图5展示C1-C9的实施例中诱导曲面片曲面的褶皱的位置；

图6A-C展示本发明中曲面片的半蛤壳曲面外形，及其分别在X-Y，X-Y和X-Z平面的投影；

图7展示将张紧线线性振荡转换成电能的新颖的结构机理；

图8展示将张紧线线性振荡转换成电能的结构机理；

图9展示将张紧线线性振荡转换成旋转运动的新颖的结构机理；

图10A展示将张紧线非线性振荡转换成旋转运动的结构机理；

图10B是图10A中101的放大图；

图11展示将多个张紧线线性振荡转换成旋转运动的新颖的结构机理；

图12展示另一种新颖的结构，包括一个刚性板与相对柔性的片材，可将流体运动转换成可用能源；

图13展示另一种新颖的结构，包括一个刚性板与一个相对柔性的片材，可将流体运动转换成可用能源。其特征在于，所述张紧线置于刚性板的前缘后方；

图14展示另一种新颖的结构，包括两个刚性板与一个相对柔性的片材，可将流体运动转换成可用能源；

图15展示另一种新颖的结构，包括三个刚性板与一个相对柔性的片材，可将流体运动转换成可用能源；

图16展示张力敏感锁闩，用于流体速度过大情况下，释开张紧线之一端或两端；

图17展示新型张紧装置的结构，张紧线与竖直方向有交角；

图18a和b展示一种新的张紧装置，片材曲面由前缘的张紧线施加张力形成；

图19展示一种新装置，包括一个新颖的张紧装置，气球或空气动力装置。张紧线延伸至地面，海洋，河流或湖床；

图20展示一个有约束的固定点，譬如一个滑轮；

图21A是有切口片材21的平面图；

图21B是图21A中片材的切口的边缘经过连接形成曲面的片材平面图；

图22是另一种新颖的能源转换装置的局部侧面剖视图，包含上文提及的任一滑轮联接；

图23是一种新的能量转换装置，将张紧线10的线性运动转换成电能；

图24是一种新颖的同轴设备2400的立体图，用于将流体的流动能转换成电能。发电机磁铁位于伸缩杆外；

图25是图24另一种新颖的能源转换装置的AA部分的透视图，发电机磁铁位于伸缩杆内。

图例的详细说明

图1是一种新颖的装置1，可将流体运动11诸如风力或水流转换成可用能源。装置1包括一个曲面片结构14和能量转换装置30。曲面片结构14包括张紧线10和曲面片20。结构40提供了张紧线10两端的限制，以使张紧轮10的端部被约束在不动的两个固定点P。X，Y，和垂直方向Z轴为参考坐标系。图1中所示X，Y和Z方向，分别描述张紧线10和曲面片20的X，Y和Z方向，见下面讨论。

操纵流体沿X方向的流动产生理想的基本振荡模式，使曲面片20沿Y及X方向周期振荡，如图中两个双头箭头所示。张紧线10联接能量转换装置30，将从张紧线取得的周期振荡的能量(无论是在张紧线10方向振荡，或张紧线10沿Y和/或X方向的空间振荡)，转换成可使用的能量输出E_OUT。张紧线10如图示为沿Z方向。然而，张紧线10可沿相对于地球的表面的任何特定方向取向。结构40可以是固定张紧线10两个点的任何结构。一个例子是杆子。其它例子是树，地面和建筑物。

图2A显示YZ平面的理想基模振荡，标出张紧线10的位置，在Z方向高度Z_O有极大值点，投影Y轴为Y_max点；且在Z_O和负Y轴方向有第二个极大值点，负Y_max。振荡频率在Y-Z平面记作f_o。

图2B显示XZ平面的理想基模振荡。在Z方向高度Z_O有单一极大值点X_max，处于XZ平面上振荡的任一端。振荡频率在X-Z平面为两倍f_o，等于2f_o。XZ平面上(沿流体流动方向)上振荡的幅度小于YZ平面(垂直于流体流动方向)。

图3是z方向高度Z_O处XY平面。Z_O在图1图2均有标识，是张紧线10联接能量转换器30的位置。图3示出张紧线10在Z_O平面的轨迹31。振荡频率沿X方向两倍于Y方向，形成两个闭环，类似数字“8”的形状。

图4示出上述讨论的C1-C9的实施例。图4显示约束点41，42，43，和44。约束41，44表示张紧线10的两个固定点。C45为上述之C结构。约束点42，43为张紧线10在片材前缘的两个固定点。前缘50为直线。后缘60如图所示拱起为凸。

图5示出胶带51，52，53，54，55，56，提供相应的约束。每个胶带包出一处曲面片10上的挤压褶皱区域，并形成折线57，58，和59。理想地，捏褶被约束在片材的两侧，比如用胶带拼接，或胶水粘结。上述折线亦可采用切割办法，理想地切除饼片形部分，然后缝合相对边缘或使用胶带拼接，或胶水粘结，如图21所示。

图6A-C展示曲面片的半蛤壳曲面外形；

图6A示出XY平面的等高线轮廓图；

图6B示出曲面片在XZ平面视图，其曲率朝上并指向左方，凹表面曲率矢量约定指向内侧；

图6C显示曲面片在理想基模振荡不同阶段的XZ平面视图，对比图6B，曲率朝下并指向左方。

图7展示将张紧线10线性振荡转换成电能的新颖的结构机理。该机制采用联杆70在高度Z_O张紧线的下端固定点之上约束张紧线10的一端，用一种环或类似的约束71约束张紧线10在X和Y方向的移动。张紧线驱动连杆70，其驱动线圈72附近磁铁输出电压V。

图8展示将张紧线线性振荡转换成电能的结构机理。该机制安置弹簧80和磁铁M于固定点P和张紧线10之间。弹簧80置于和张紧线10下端。弹簧80提供弹力将张紧线10拉下。弹力平均等于将张紧线10拉上的张力。流体振荡器装置(未示出)对流体流动响应而引起张紧线10周期性的张力振荡。

周期性变化的张力驱动磁铁M周期性地向上和向下，在线圈72产生电动势V。约束81形成围绕张紧线10的约束圈，防止张紧线10在X或Y方向的移动，使得磁铁M和弹簧80基本上只有Z方向的运动。

图9展示将张紧线10线性振荡转换成旋转运动的新颖的结构机理。该机制采用齿条90，由约束91限制，使其振荡大致线性沿Y方向。在横断面上，齿条90的齿94有一个面垂直于齿条90的延伸方向及另一面斜向齿条基部，能锁定相对齿轮93的齿92驱动该齿轮旋转。在横截面中，齿条90的齿94由于倾斜面，当啮合齿92沿着Y方向移动速度比91快时，齿94不能咬合齿92。选项，齿条90向左运动时，装置(未示出)可以将齿条90压向齿轮93；齿条90向右运动时，将齿条90拉离齿轮93。

图10A和10B展示将张紧线非线性振荡转换成旋转运动的结构机理。约束100对张紧线10构成约束孔。约束100具有双凸结构，由两个近似圆形或椭圆形区域构成，通过颈部区域连接。当片材20以理想基本模式发生大振荡，张紧线10形成运动轨迹31，并且受到约束100约束。高于或低于(或高于和低于)约束面100，在Z方向上安排齿轮和X-Y方向的齿条，齿条在约束表面100以上或以下延伸至约束面规定的区域内，使齿轮齿92进入张紧线10的轨迹31。如此，张紧线10巡行路径31时，张紧线10推动齿轮齿92从而转动齿轮93。图10B放大图，显示部分路径31，张紧线10，约束100，齿轮93和齿轮齿92。

图11展示将多个张紧线线性振荡转换成旋转运动的新颖的结构机理。此机构包括多个图9所示带齿的锯齿型齿条90和齿轮93，它们各自被联接到不同的流体振荡装置，将流体流动转换成可用能源。所有齿轮93连接到一个旋转主轴110。图11显示了两个齿条和小齿轮装置。安放更多的装置在考虑中。显而易见，由于没有流体流动振荡器间的相位锁定，大量流体流动振荡器的输出将导致旋转轴基本恒定的扭矩，这是非常有利的。

图12展示另一种新颖的结构，包括一个刚性板120与相对柔性的片材121，可将流体运动转换成可用能源。刚性板120形成前缘和片材121作为后缘。板120不会变形很大。板120可是木材，硬质塑料，金属，陶瓷，复合材料或任何其他等效的刚性材料。片材121可以是前述用于流体流动转换器的曲面片材。在本实施例中，张紧线10可分成两段，各自从板120前缘的顶部、下部延伸到固定点或能量转换装置30。

图13展示另一种新颖的结构，包括一个刚性板120与一个相对柔性的片材121，可将流体运动转换成可用能源。在该实施例中所述张紧线置于刚性板的前缘后方位置130。此种设置将使得刚性板120绕张紧线转动，从而引起在X和Y方向的振荡和张紧线10的振荡张力。在该实施例中张紧线10可分成两段，各自从板120前缘的顶部、下部延伸到固定点或能量转换装置30。片材121可以是前述其它流体流动转换器中曲面片材。

图14展示另一种新颖的结构，包括两个刚性板141和142，形成流体流动振荡器前表面的前缘，刚性板尾面连接到相对柔性的片材的前缘，后者亦生成流体流动振荡器的后缘。板141，142可以通过限制143线(绳，索，链等)或弹簧连接，以形成强耦合振荡。片材121可以是前述其它流体流动转换器中曲面片材。

图15展示另一种与图14类似的新颖结构，包括三个刚性板151，152，和153。联接更多偶数个或奇数个刚性板，也在设想中。

图16展示张力敏感锁闩(160，161)，用于释开曲面片结构14中张紧线10之一端或两端。这提供了大流速运行的安全性，否则流体力量可能会造成结构损坏。该张力敏感锁闩可以包括弹性维可牢搭扣，或其他类似材料。当张力超过确定值，自动脱扣。张紧线10可以通过相邻锁闩160的闭环，这样拉起张紧线10可以使锁闩160复位，重置张紧线10和锁闩于上部固定点P。

图17展示新型张紧装置的结构，张紧线10与竖直方向V成交角θ。此处描述曲面片20和相关的流体能量转换装置的张紧线相对垂直方向，可以取从零到90度的任何角度。垂直时对平行于地球表面的流体流动方向较不敏感。因此，张紧线10垂直或接近垂直的位置为首选。

图18A和B展示一种新的张紧装置，片材曲面由前缘的张紧线施加张力形成。在这种装置中张紧线10由约束181，182，183，184在片材20接近前缘的部分施限。张紧线10在约束181，182，183，184间形成松弛区185，186，187，和188。图18B显示张紧线10的张力施加到松弛区185，186，187，188，导致扩张应力，使前缘50相对后缘60变长。如此形成的张力使片材20在X和Z方向发生弯曲。

图19展示一种新装置，包括一个新颖的流体振荡器装置190，气球，滑翔机，或其他空气动力装置191。张紧线192对流体11实现能源转换。张紧线192延伸至地面，海洋，河流或湖床。装置190包括一个相对刚性的“E”形结构194，提供固定点P1，P2，张紧线10，和点P1，P2之间的曲面片20。因为曲面片20在首选的基本模式振荡，它通过张紧线192同时提供振荡张力和行波。能量转换器30，以上文讨论过的或参考文献中描述的方法，将行波转换成的能量E_OUT。

图20示出对张紧线10运动的约束，诸如P1位置的滑轮200。滑轮200可被固定在相对于X和Y方向的P1位置，防止在滑轮200的张紧线10在X和Y方向移动。柔性结构如位于滑轮200和固定点P2之间的弹簧允许张紧线10响应振荡器的张力，从而转动滑轮200。

图21A是具有切口21的片材的平面图；

图21B是图21A中片材的平面图，其切口的边缘已连接形成了弯曲的片材；

图21A显示片材20的切口21和边缘22。

图21B显示图21A中每个切口在缝合23后产生的片材20的弯曲表面。曲率矢量指向图平面外。

图22是另一种新颖的能源转换装置，将张紧线10的运动转换为输出电压或电能V。图22所示张紧线10旋转滑轮200。滑轮200附有磁铁M，当滑轮200旋转，磁铁10提供变化的磁场切割线圈72，从而诱导电压V。线圈72可置于平行于滑轮200的旋转轴线，以使磁铁M的N，S极通过线圈72的轴线。或者，滑轮200的轴可以延伸，磁铁可以安装其上以接近线圈72。

图23是一种新的能量转换装置，将张紧线10的线性运动转换成电能。这个装置包括一个弹簧80，其一端固定在不可移动点P，另一端连接到线(刚性杆或挠性绳索)2301，通过合适的连接器连接到磁铁M一端。磁铁M的另一端通过适当的方法连接张紧线10。弹簧80占据扩展位置80B和收缩位置80A。由于弹簧80的变换扩展和收缩位置，磁铁M穿过线圈72之间的空间2302。多个线圈在空间2302同轴对准，每个线圈连接到独立的整流电路2302终端，譬如一全波桥式整流电路，或一个有源场效应晶体管整流电路。所有整流电路的输出连接形成输出电压V。当磁铁位于各线圈表面时，此配置有利用各个线圈电压响应极值的优势。

图24是一种新颖的同轴设备2400的立体图，包括曲面片结构14，构成张紧线10和曲面片20。张紧线10的顶端绕在杆2401的直径减小的部分。环形圈2403固定在杆2401一个特定的高度。环形圈2405接到鞘2406。磁铁M被限制在鞘2406下端的空腔内。环2405，鞘2406，与磁铁M都是环形的，围绕杆2401配置，但不是刚性地附着杆2401。弹簧2404顶由环2403固定。弹簧2404的底由环2405固定。张紧线10的一端被固定到环2405或鞘2406。线圈72位于杆2401的下部。在操作中，包括曲面片结构14振荡产生张力在垂直方向上作用于上环2405，推动环2405鞘2406与磁铁M沿杆上下运动。由于磁铁M振荡，在线圈72产生电压V_OUT。这种配置的优点是，随流体流场11的方向的变化，该振荡器可以绕杆的轴线转动。

图25是图24中M-M部分的另一变通方法。磁铁M置于杆2401中空的内部。在此变通方法里，杆2401是空心的。环2405换为磁性材料环2405A。哑铃形内部容器2501包括第一磁体M，其对环2405A的磁吸引力保持了它在内部容器2501，相邻环2405A的位置。设计容器2501使其容纳磁铁M，内杆2401和附近的线圈72。当环2405A上下振荡，磁铁M随之振荡，从而在线圈72诱导电压V_out。这种方法不需要在杆2401外面配置环形磁体。

Claims (15)

1.一种流体振荡器装置，包括：曲面片结构含有一曲面片和一个张紧线，其特征在于张紧线沿所述曲面片前缘伸展；其特征还在于，所述曲面片具有曲面第一主表面和第二主表面，曲面片第一主表面与曲面片第二主表面相对；所述曲面片第一主表面点任意点的曲率指向所述第一主表面外侧，或指向所述第一主表面内侧，所述曲面片的第二主表面的曲率方向与所述第一主表面曲率方向一致。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述曲面片上与前缘任何距离点的曲率比率CR大于0.0003/英寸。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述曲面片结构在无外力作用下，具有所述第一主表面和第二主表面的曲面方向。

4.如权利要求1所述的装置：其中所述张紧线在两点之间伸展，并处于张力作用下，当所述曲面片结构置于流动的流体场，流动方向垂直两点连线，所述曲面片结构发生振荡。

5.如权利要求1所述的装置：其中所述张紧线在两点之间伸展，并处于张力作用下；所述两个点，其特征在于，所述两点的连线定义为第一方向；所述曲面片置于的流体场的流动方向为第二方向，其与所述第一方向垂直；所述曲面片前缘至少在垂直于所述第一方向和所述第二方向的第三方向振荡；如此，在某一刻，所述前缘通过两个固定点连线延伸，位移于第三方向上的一侧；在下一刻，位移于第三方向上相对的另一侧。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述曲面片结构包括杨氏模量在0.01到10.0GPa范围内的聚合物材料。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述张紧线包括任一绳索，缆线，链条或单纤维。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，所述张紧线沿所述前缘伸展，在所述曲面片前缘的整个长度内，张紧线机械地联接于曲面片前缘。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述第一主表面的曲率周期性地反转，即，在振荡的一个阶段，所有曲面片第一主表面点具有向外的曲率，而在振荡的下一个阶段，所有曲面片第一主表面点具有向内的曲率。

10.根据权利要求1所述的装置，还包括：一种能量转换装置；其特征在于所述能量转换装置包括一个耦合器联接张紧线，耦合器响应张紧线的张力变化而运动。

11.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述曲面片上与前缘任何距离点的曲率比率CR大于0.0003/英寸。

12.权利要求10所述的装置，其特征在于，所述张紧装置的方向上限定了张力的方向；所述耦合器被联接到所述张紧线张力方向；所述振荡器装置振荡时，耦合器大致以平行于张紧线张力的方向移动。

13.权利要求10所述的装置，其中所述张紧线具有一个不动的固定端点，所述耦合器联接点距离此不动点，要比距离所述曲面片材中心为近。

14.根据权利要求10所述的装置，其特征在于，所述能量转换装置包括一个磁铁。

15.根据权利要求l所述的装置，其中片材中每一个点应在两个独立的方向上弯曲，曲线曲率两两指向远离曲面片的同一侧。