CN104047814A - 空气内能的应用及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空气内能的应用及装置。一种将空气内能转换成有用的动能的方法，该方法基于流过大致渐缩管嘴的空气，由于管嘴截面减小，所以该渐缩管嘴使空气加速，从而增大空气的动能。动能的增量等于空气内能(即温度)的减少量。在所述管嘴内设置有涡轮，以将气流的动能转换成机械能，所述机械能被转化成电能或传递到齿轮箱中以提供驱动力矩。使用该方法的装置可利用自然风作为气流源或利用人工气流装置。结合有人工产生气流的装置的装置可用作用于陆地、海洋交通工具和飞行器的发动机。由于管嘴内的气温降低，所以会出现水分凝结并且可积存液态水以进一步使用。

Description

空气内能的应用及装置

本申请是申请号为200580043924.9、发明名称为：“空气内能的应用及装置”(国际申请日为2005年11月16日，国际申请号PCT/IL2005/001208)的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及用于增大气体动能并通过所述动能来产生电能或机械能的方法和装置。

背景技术

现今，风力涡轮在多风地区十分普遍。其设计类似于飞行器的螺旋桨。风力涡轮面向自然风安装于高塔架上，自然风使风力涡轮转动，并且该转动驱动发电机发电。需要约为4米/秒的最小风速来使螺旋桨开始转动。发电机所产生的电随后由风力涡轮的所有者使用或被输送给电网。

这种产品的一个很好的示例是由该领域的主要制造商制造的产品。以下数据描述了一种2兆瓦的发电机。

直径：80米

扫掠面积：5,027平方米

叶片数：3

塔架数据：

轮轴高度(近似值)：60-67-78-100米

工作数据：

切入风速：4米/秒

额定风速：15米/秒

停止风速：20米/秒(该机器的最大工作速度)

发电机：

额定输出：2000千瓦

重量：

塔架(60米)：110吨

引擎舱(nacelle)：61吨

转子(螺旋桨)：34吨

总计：205吨

注意：塔架越高意味着越重。

这种巨大的机器在15米/秒的额定风速下的额定输出功率为2兆瓦。

当风力涡轮的螺旋桨转动时，实际上仅位于由螺旋桨末端形成的圆周内的一小部分流动空气足够靠近任一螺旋桨叶片流动，从而在该叶片上产生气动升力。沿螺旋桨叶片分布的这些升力(事实上是其在螺旋桨转动平面内的分量，该分量与由产生所述升力分量的叶片部分形成的圆周相切)绕螺旋桨轴线产生转动力矩。这些升力与其到螺旋桨转动轴线的对应距离相乘并累加成特定大小的转矩，该转矩使螺旋桨叶片转动。由于大量空气在螺旋桨叶片之间流动，这些空气不会有助于对螺旋桨产生任何升力或转矩。这是这种螺旋桨仅使用了穿过螺旋桨圆周的空气的约20％的动能的一个原因。因此，为了在低风速下产生足够的电力，需要巨大的螺旋桨。

由于这种低效率，这些风力涡轮必须是大型的以产生充足的电力。因此这些风力涡轮大、重且昂贵，并且其运动的叶片对鸟和飞行器来说很危险。因此，这些风力涡轮不能安装在城市的建筑物上，而城市正是极需电力的地方。

特别期望通过风力发电有多种原因：其为无污染的清洁能源，不会产生CO₂并且风是免费的，因此其是清洁能源的廉价来源，然而风有时太弱而不能使该巨大的螺旋桨运转。

因此期望更高效、尺寸紧凑且制造成本低并且可安装在城市建筑物的屋顶上的风力涡轮。

这些风力涡轮的另一固有缺陷在于它们局限于在强风中进行工作。这是由于螺旋桨叶片沉重(大约11吨)，从而高转速下的离心力变得很大，并且为超过25米/秒的风设计这些叶片在经济上不合算。

发明内容

根据本发明，提供了一种将气体内能转换成动能并将气体动能转换成机械能(该机械能被转换成电能)的方法和系统。

根据本发明的一个方面公开了用于通过将空气热能(m*C_p*ΔT)转换成动能(0.5m*V²)并且使用该动能转换成有用功率来产生有用功率的设备，其中，m是气流质量速率，C_p是空气的定压比热，T是绝对温度，V是空气速度，所述设备包括：a)生成气流的动力风扇，该动力风扇包括：i)轴；ii)毂，多个叶片安装至该毂，并且该毂连接到所述风扇轴使得当所述风扇轴旋转时，所述风扇叶片旋转并且生成气流；b)容纳所述气流，对所述气流进行加速并且冷却所述气流的渐缩管嘴，该渐缩管嘴包括：i)管嘴入口；ii)管嘴喉部；以及iii)管嘴出口；c)涡轮转子，其包括：i)安装有多个叶片的转子毂，所述转子设计为产生比提供给所述风扇的功率大的功率量；ii)与安装在所述转子毂的所述毂一起旋转的转子轴，所述转子轴用于将所述转子的输出功率传递到生成所述有用功率的机构；其中：-所述涡轮转子安装在所述管嘴内部靠近所述管嘴喉部；-由所述气流源产生的气流通过所述管嘴入口进入，并且沿所述管嘴出口的方向流动，冲击到所述涡轮转子叶片上，继续朝向所述管嘴出口流动，并离开所述管嘴；-所述管嘴入口的横截面面积大于所述管嘴喉部的横截面面积，从而在所述气流朝向所述喉部流动时使所述气流的速度增加并且使所述气流的温度降低，以使得在所述管嘴喉部处的所述气流中的空气的动能比在所述管嘴入口处的所述气流中的空气的动能实质上大于所述管嘴入口处的所述气流中的空气的内能热量部分(C_P·T)与所述管嘴喉部处的所述气流中的空气的内能热量部分(C_P·T)之间的差；并且-当所述气流冲击到所述涡轮转子叶片上时，所述气流的所述动能的一部分以推动所述叶片的空气动力的形式被传递到所述转子叶片，而使所述涡轮转子和所述转子轴旋转，从而将所述气流的所述动能的一部分转换为每单位时间对所述转子所做的功，所述转子轴将所述功传递到产生所述有用功率的所述机构；所述转子设备的特征在于：叶片的数量和由翼型、叶片入口角和叶片出口角限定的所述叶片的空气动力横截面，选择叶片的参数以生成大于所述风扇中存在的气流每秒的动能的功率量，其中，所述管嘴和所述转子被设计为使得所述气流的局部速度至少被加速到等于大约0.2的马赫数的速度。

本发明的主要方面在于渐缩管嘴的使用，该渐缩管嘴面向来风，其中该管嘴的截面的面积朝向下游减小，从而使空气速度增大，即气流内能被转换成动能。

本发明的另一方面在于设置在所述渐缩管嘴的出口处的空气涡轮的组合，使得离开所述管嘴的空气驱动所述空气涡轮。

本发明的另一方面在于所述空气涡轮的转动驱动发电机，该发电机通过转动功率来发电。

本发明的另一方面在于涡轮转子的转动轴线垂直于气流方向。

本发明的另一方面在于所述涡轮的渐缩管嘴结合有导向叶片，所述导向叶片引导所述管嘴内的气流。

本发明的另一方面在于涡轮叶片具有管嘴喉部的形状和尺寸。

本发明的另一方面在于可变的管嘴入口截面。

本发明的另一方面在于结合有控制系统，该控制系统监测管嘴喉部处的空气速度，并改变管嘴入口面积以在不超过本地音速的情况下在该喉部处获得最大的空气速度。

本发明的另一方面在于结合有控制系统，该控制系统打开或关闭管嘴喉部处的开口以使过剩空气溢出。

本发明的另一方面在于与自然风的温度相比加速后的空气的温度降低。

本发明的另一方面在于启动处理，该启动处理使所述涡轮转动小于一分钟，以从所述管嘴抽吸空气，从而防止该管嘴内的静压升高并建立通过该管嘴的稳态流。

本发明的另一方面在于结合有自动控制系统，该自动控制系统引导所述管嘴入口朝向来风。

本发明的另一方面是矩形的管嘴入口。

本发明的另一方面在于所述渐缩管嘴与其涡轮分离，并通过导管连接该管嘴的出口与空气涡轮，该导管将加速后的空气从所述管嘴输送至涡轮入口。

本发明的另一方面是冲击式涡轮与所述渐缩管嘴的一起使用。

本发明的另一方面在于通过进入涡轮管嘴的气流和云(cloud)中的水蒸汽来产生水。

本发明的另一方面是一控制系统，该控制系统改变渐缩-扩散管嘴的喉部以将管嘴内的空气加速到Mach＝1.0。

本发明的另一方面在于结合有停止机构，该停止机构用于保持并防止管嘴朝向风转动。

本发明的另一方面在于结合有排水系统，该排水系统防止水积存在管嘴或转子腔内。

本发明的另一方面在于可变的管嘴喉部截面积。

本发明的另一方面在于将空气涡轮单元放置在离开管嘴的气流中和空气涡轮单元在管嘴处的气流中的位移(displacement)。

本发明的另一方面在于在风力涡轮的重心正上方安装在风力涡轮上的起重吊钩的使用。

本发明的另一方面在于插入到渐缩-扩散管嘴的喉部中的涡轮单元。

本发明的另一方面在于涡轮的垂直转动轴线，涡轮绕该转动轴线对准以面向管嘴入口前方的风。

本发明的另一方面在于配备有动力风扇的渐缩管嘴，该动力风扇驱动空气进入所述管嘴，使得该管嘴将空气内能转换成动能，所述动能驱动涡轮产生比提供给所述动力风扇的更多的功。

本发明的另一方面在于配备有动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，所述涡轮向所述动力风扇提供能量，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。

本发明的另一方面在于配备有动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，所述涡轮机械地驱动所述动力风扇，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。

本发明的另一方面在于配备有动力风扇和涡轮的内渐缩管嘴，所述涡轮向所述动力风扇和附加的风扇提供能量，所述附加的风扇将空气推入另一管嘴，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。

本发明的另一方面在于几何尺寸可变的内渐缩管嘴，该内渐缩管嘴配备有动力风扇和涡轮，所述涡轮向所述动力风扇和附加的风扇提供能量，所述附加的风扇将空气推入另一几何尺寸可变的管嘴，从而该组合是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。

本发明的另一方面在于几何尺寸可变的内渐缩管嘴，该内渐缩管嘴配备有动力风扇和涡轮，所述涡轮向所述动力风扇和附加的风扇提供能量，所述附加的风扇将空气推入另一几何尺寸可变的管嘴，该另一管嘴改变气流方向，从而该组合是驱动飞行器的具有推力换向器的涡轮螺桨发动机。

本发明的另一方面在于所述涡轮螺桨发动机结合有位于渐缩管嘴中的燃料喷射器，以增大气流的能量和温度，从而增大涡轮中的质量流速和音速，从而增大涡轮产生的能量。

本发明的另一方面是一种装置，该装置不依赖于自然风而通过空气内能来发电，该装置包括配备有第一动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，该第一动力风扇用于启动所述装置，所述涡轮将空气动能转化成机械能，该机械能驱动第一涡轮、第二动力风扇和用于发电的发电机。

本发明涉及一种用于将空气内能转换成动能，并进一步将动能转换成机械能的方法。

根据本发明一个方面的方法，该方法如下进行：使空气流过管嘴，入口截面积为A_i、温度为T_i、速度为V_i，而在下游，在多个可变截面积处的气流参数为：面积A_d、速度V_d和温度T_d，其中所述多个截面积A_d中的一部分或者全部小于A_i，以使A_d处的空气速度值V_d为V_i的大约V_i与A_i除以A_d(A_i/A_d)的比值的乘积的倍数，其中由于空气速度V_d的增量而导致的空气速度的动能的增量大约等于空气内能的减少量，也就是说，气流质量速率m乘以空气的定压比热C_p，再乘以截面A_d处的空气温度的减小量ΔT，即，ΔT＝T_i-T_d，从而该能量转换大约为：m*C_p*ΔT，其大约等于：m*(V_d ²-V_i ²)/2。

根据本发明一个方面的方法，其中，在所述管嘴的出口或者在所述管嘴内设置有涡轮，用于将一部分空气动能转换成机械能。

根据本发明一个方面的方法，其中，所述管嘴具有连续减小的截面以使空气速度连续加速。

根据本发明一个方面的方法，其中，所述管嘴为渐缩-扩散管嘴并且所述涡轮设置在该管嘴的最小截面积处，即设置在喉部处，或者设置在该喉部的截面之前或该喉部的截面之后的具有较大截面积的截面处。

在根据本发明一个方面的装置的管嘴内部具有至少一个导向叶片，所述导向叶片用于形成流过可变截面积处的至少两个子流。

根据根据本发明一个方面涉及管嘴，该管嘴的内部具有多个导向叶片。

在根据本发明以上方面的装置中，所述空气含有水分，因此当空气加速并且其温度降低时，所述水分凝结而变成水滴，由此所述管嘴中的空气静压降低，从而形成附加的吸力，该吸力使得进入所述管嘴的流的速度和质量增大。

在根据本发明以上方面的装置中，积存所述水滴以用于任何用途。

在根据本发明一个方面的装置中，所述涡轮提供机械能以驱动用于发电的发电机，或者提供机械能以用作发动机。

在根据本发明多个方面的装置中，所述气流的源是自然风。

根据本发明多个方面的安装到管嘴上的风力涡轮具有绕一轴线转动的转子毂，该轴线与撞击所述转子毂的叶片的气流正交，其中：各个叶片从所述转子毂径向延伸，并且所述叶片的平面形状与空气撞击所述叶片所在通道的截面的形状和尺寸相同。

根据本发明多个方面的安装到渐缩管嘴上的风力涡轮具有横跨在两个平行的圆形盘之间的多个翼，所述翼以圆形方式固定到所述盘上，从而所述翼位于气流通道中，在该气流通道中所述气流在所述翼上产生气动力，所述气动力产生气动转矩，使得所述盘绕与所述盘的平面正交并与所述翼的跨距平行的轴线转动。

在根据本发明多个方面的装置中，所述气流的源是驱动气流通过管嘴的人工源。

在根据本发明一个方面的装置中，其中，所述人工空气源是由诸如电、机械、蒸汽、风等的任何动力源提供动力的风扇。

根据本发明多个方面的机动装置用作车辆发动机，该机动装置将其涡轮的机械转动功率的一部分传递给车辆的驱动系统，并将一部分传递给用于产生电力的发电机以驱动所述人工源流动。

根据本发明以上方面的安装到渐缩管嘴上的涡轮包括至少一级轴流式涡轮。

在根据本发明的装置中，第一管嘴的入口被升高到高于地面，而其出口通过一管路与在第一管嘴下面的第二管嘴相连，所述第二管嘴容纳有涡轮。

根据上述权利要求的渐缩管嘴具有自动控制系统，该自动控制系统用于改变入口的截面积，以使在该管嘴的喉部处的空气速度最大化到期望速度。

根据本发明多个方面的管嘴结合有控制系统，该控制系统用于改变所述管嘴的喉部截面积以在该喉部处获得期望的空气速度。

根据本发明以上方面的管嘴与根据本发明的任何类型的涡轮的任何组合，其中，所述涡轮被放置在所述喉部之前或者在所述喉部处或者在所述喉部之后。

根据本发明以上方面的的装置设置有启动系统，该启动系统初始化空气涡轮的转动，以使气流能够进入所述入口、经过该涡轮而离开该装置。

根据本发明以上方面的装置安装在转动系统上，使得所述入口可转动，从而以相对于翼向量的从0度到180度的任何角度朝向来风。

根据本发明以上方面的的管嘴具有启动系统，该启动系统提供动力以使空气涡轮转动，该启动系统包括电动机和诸如电池或电网的电源，所述电动机可选地是涡轮发电机。

本发明的另一个方面涉及风力涡轮的启动系统，该启动系统包括风传感器、电池以及电动机，该电动机使所述涡轮沿其工作方向转动，从而该涡轮吸入空气并使进入管嘴的风能够流过该涡轮的叶片。

根据本发明以上方面的装置具有放置在自由风中的基本垂直的翼表面，使得来风在所述翼上产生气动力和力矩，从而该力矩使所述装置朝向来风转动。

根据本发明以上方面的装置具有使所述装置朝向来风转动的动力装置。

与根据本发明以上方面的管嘴组合进行工作的任何空气涡轮利用诸如液体、或通过电流或热空气进行加热的除冰手段使来自所述管嘴和涡轮元件的冰融化。

根据本发明以上方面的在其入口中具有动力风扇的装置配备有根据本发明上述方面的涡轮，所述涡轮驱动其叶片面向自由空气的螺旋桨，从而该装置是驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。

在根据本发明一个方面的装置中，所述动力风扇由电动机或者由所述涡轮的机械动力驱动。

根据本发明一个或多个方面的涡轮螺桨发动机包括配备有动力风扇和涡轮的内渐缩管嘴，所述涡轮向所述动力风扇提供能量并且向附加的大风扇提供能量，所述大风扇将空气推入外管嘴，从而该组合是驱动飞行器的两级式涡轮螺桨发动机。

根据本发明以上方面的涡轮螺桨发动机具有几何形状可变的渐缩-扩散管嘴。

根据本发明以上方面的涡轮螺桨发动机具有几何形状可变的渐缩管嘴，其中，该管嘴的可移动部分偏离，以将气流推到与该气流进入的方向相反的方向，从而该装置是用于驱动飞行器的带有推力换向器的涡轮螺桨发动机。

在根据本发明上述方面的涡轮螺桨发动机中，该涡轮螺桨发动机的管嘴结合有燃料喷射器和点火器，以增大所述涡轮处的气流温度、内能、质量流速率以及气流速度，从而增大涡轮产生的能量。

根据本发明上述方面的装置不依赖于自然风而使用空气内能来发电，该装置包括配备有第一动力风扇和涡轮的渐缩管嘴，该第一动力风扇用于启动所述装置，所述涡轮将空气动能转化成机械能，该机械能驱动第一动力风扇、优选地较大的第二动力风扇和用于发电的发电机。

根据本发明一个或多个方面的装置利用诸如液体、或通过电流或热空气进行加热的除冰手段使来自所述管嘴和空气涡轮元件的冰融化。

附图说明

从以下结合附图的详细描述将进一步理解并清楚本发明，附图中：

图1是沿根据本发明一个实施例的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有带圆形入口的渐缩管嘴。

图2是图1的风力涡轮的正视图。

图3是沿图1的风力涡轮的俯视剖视图。

图4是沿根据本发明另一实施例的具有矩形入口的风力涡轮的侧剖视图。

图5是图4的风力涡轮的正视图。

图6是图4的风力涡轮的俯视剖视图。

图7是根据本发明另一实施例的具有可变截面积入口的风力涡轮的侧剖视图。

图8是图7的风力涡轮的正视图。

图9是沿图7的风力涡轮的俯视剖视图。

图10是沿根据本发明另一实施例的带导向叶片的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有定子和带翼片的转子。

图11是图10的风力涡轮的正视图。

图12是沿根据本发明另一实施例的具有轴向冲击式涡轮的风力涡轮的剖面。

图13是表示图12的空气涡轮的涡轮轴、支承臂、定子盘和转子盘的剖面。

图14是图12的定子盘和转子盘的平面图。

图15是沿根据本发明另一实施例的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有与该空气涡轮分离的管嘴。

图16是沿根据本发明另一实施例的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有与该涡轮分离的渐缩-扩散管嘴。

图17是沿根据本发明另一实施例的位于渐缩管嘴前方的风力涡轮的侧剖视图，该风力涡轮具有垂直转动轴线。

图18是沿配备有动力风扇的管嘴的侧剖视图。

图19是沿配备有动力风扇和涡轮以成为用于飞行器的涡轮螺桨发动机的管嘴的侧剖视图。

图20是沿配备有涡轮和多个动力风扇以成为用于飞行器的两级式涡轮螺桨发动机的管嘴的侧剖视图。

图21是沿配备有动力风扇、涡轮和推力换向器以成为用于飞行器的两级式涡轮螺桨发动机的管嘴的侧剖视图。

图22是沿配备有动力风扇和涡轮以成为两级式涡轮螺桨发电机的管嘴的侧剖视图。

具体实施方式

现今的风力涡轮包括被气流(即，风)驱动的螺旋桨。当风增大时，更多的动能可用于驱动螺旋桨叶片，但是由于螺旋桨叶片大而重(每一个叶片大约11,000千克)，当风速超过特定水平(取决于叶片的强度及其安装到轴上的安装强度)时，必须停止转动以防止离心力破坏叶片。因此空气涡轮停止其工作，大量的风能被浪费。另一方面，当风太弱(大约4米/秒或更低)时，由于可用动能太小而不能使巨大的空气涡轮转动，所以不能使巨大的螺旋桨工作。本发明克服了这些障碍，并说明了如何使本发明的空气涡轮紧凑并在弱风以及高速风中产生更多的电。

此外，安装用于产生流入到管嘴入口的气流的动力风扇是值得的，这是因为渐缩-扩散管嘴能够在其喉部使气流动能增大约10倍，因而净输出功率大于输入功率，从而得到不依赖于风的发动机。抽吸空气并将气流推入渐缩管嘴或渐缩-扩散管嘴的动力风扇是本发明的主要方面。

风动能可由下式数学地表达：

E_K＝ρ×V×A×V²/2其中：V是空气速度

ρ是空气密度

A是流动空气的截面积

“×”是乘法符号，以下将省略。

因此，空气速度为0时，动能为0。

(注意：本专利申请中的所有公式和所用数据都取自以下参考书：

FOUNDATIONS OF AERODYNAMICS，第二版

A.M.KUETHE和J.D.SCHETZER著

Department of Aeronautical Engineering

University of Michigan(USA)

出版商：JOHN WILEY&SONS

图书馆专业分类卡号：59-14122。

令人惊讶的是，即使是在冰冻温度下，自然风空气的能量(称为“内”能)与其动能相比也很巨大。

为得到该论点，必须考察单位质量的可等熵压缩流的能量方程：

C_pT+V²/2＝常数(参考书第140页的方程24)

在讨论风时，以上方程中的所有相关参数都与特定状态的空气有关，其中：

C_p是空气的定压比热(参见参考书第132页)

C_v是空气的定容比热(参见参考书第131页)

γ＝1.4为空气在1000°R下的C_p/C_v的比值

T是空气的绝对温度

V是空气速度

C_p×T是气体(空气)的内能，而V²/2是单位质量的气体的动能。对于等熵流(热不增加也不从空气吸热)，必须满足方程24给出的能量关系，即存在能量守恒。

为了论证动能与内能的比值，针对温度为T＝32°F，风速为25米/秒(V802兆瓦风力涡轮的最大工作风速)的相对较强的风来计算这些能量，该风是在这种空气涡轮很普遍的有人居住的北半球的冬天相当冷的空气。

利用英制单位系统

C_p＝6000FT×LB/Slug°R

T＝460+32＝492°R

V＝25/0.3048＝82.02FT/SEC

内能为：C_pT＝6000×492＝2,952,000FT×LB/Slug

动能为：V²/2＝(82.02)²/2＝3,201.6FT×LB/Slug

因此，在这种情况下空气动能与空气内能之比为：3,201.6/2,952,000＝0.00108，即，动能大约是空气内能的千分之一，并且该情况是针对复杂的2MW空气涡轮的最大工作空气速度。越弱的风得到越小的能量比。

由于中速风(小于10米/秒)的动能较小，所以需要大面积的转子叶片来增大由这种风力涡轮收集的能量。较大的转子叶片使得整个机器(如V80)很大且很昂贵，这最终使产生的电昂贵。

因此，令人惊讶的是还没有人提出利用空气内能的能源的方法。本发明通过新颖的涡轮设计将空气内能转换成动能，然后将动能转换成机械能。

图1示意性地示出了沿本发明一个实施例的剖视图。舱体(pod)100容纳有具有叶片126、127、128等的圆柱状转子122。这些叶片可以为矩形平面形式的平面或凹面，或者为任何其他平面形状。因而当风150进入管嘴入口110并如152所示在管嘴108内流动时，其进一步向管嘴截面积最小的管嘴喉部114会聚，空气在这里达到其最大空气速度。紧接着在喉部114之后，流动空气154遇到与气流154瞬时垂直的“上升”的叶片128和叶片126。叶片126被流动空气154强制向右运动，即绕转子的转动轴线120顺时针转动，该转动轴线与驱动气流154正交。由于叶片126、127、128等牢固地安装在转子圆柱体122上，所以转子122随其叶片126、127、128等顺时针转动。转子叶片126、127、128等的边缘与圆柱状腔壁124、125之间的距离很小(几毫米)，因而流动空气154、156不能绕过这些叶片，从而当流动空气154、156在通道162内流动时迫使叶片转动，直至流动空气154、156到达开口129，此时气流158在该开口处通过由‘E’表示的排放管嘴离开转子腔，并作为气流159离开涡轮截面118。从转子叶片126到转子叶片129的气流路径为气流在转子叶片上施加持续的气动力提供了时间距离(time distance)，同时将叶片数量最小化到2，从而降低了该空气涡轮的制造成本并最终降低了由该设计产生的电的成本。然而，为了保持平稳操作(即，在转子122上施加恒定的气动转矩)，应该使用4到大约8个叶片。该设计是本发明的主要方面。

舱体100配备有垂直翼194，其直立在自由空气中，因而任何不与垂直翼194的平面平行的风都在该翼上施加气动力，并且该力使舱体100通过安装支柱134绕其垂直轴线145转动，使得舱体入口110面对来风150。

舱体支柱134配备有止动件133和引导锥135，它们都牢固地安装在支柱134上。这有助于将支柱134对准到管140内，该管是用于安装舱体100以使其进行工作(即，通过风来发电)的塔架。在将支柱134插入到管140内后，当止动件133遇到其配对件141时，该止动件133使支柱134停止向下移动到管140内。止动件133和配对件141都具有相同的平面形状，优选地为圆形平面形式。当止动件133停靠在配对件141上时，将c形截面的锁定件142牢固地安装到下部的141上(优选地通过螺栓)，从而使止动件133和整个舱体100能够朝向来风绕轴线145转动，而不向上运动，从而使涡轮舱体保持安装在其承载支柱140上。安装系统130至140是本发明的另一方面。

吊钩109正好安装在舱体的对称平面上并位于重心上方，从而当起重机运送舱体以将其安装在支柱140上时，支柱134将垂直于水平面并平行于支柱140，从而能够容易地将锥135对准到支柱140的顶部开口内，以使得能够容易地将涡轮安装在其工作位置。该吊钩及其位置是本发明的另一方面。为非常高速的风(其可能使喉部中的马赫数超过1.0，即音速)提供了可选的过剩空气通道。在这种情况下，结合有管嘴108中的风速测量装置的可选控制系统将打开该空气通道，以使过量的气流通过该通道离开管嘴，从而不会在喉部114处超过M＝1.0而引起噪音和隆隆声。

由于本发明的空气涡轮在几乎封闭的容器内工作，所以需要排水系统来除去积存在管嘴内或转子腔的雨水。而且，由于进入管嘴的空气是冷的(参见以下的数值示例)，所以水蒸汽会液化成水。为了从空气涡轮排水，增加了集水器167，该集水器从渐缩管嘴收集水并将其输送到管131。而且，排水孔和管168从转子腔收集水。由于这些是干净的可饮用水，所以在干旱地区，这些水可用于任何用途。如果涡轮放置于有云的地区(即山顶或高塔顶部)，则可产生并储存大量的水以备以后使用。该集排水系统是本发明的另一实施例。

图1的转子设计确保了高效率，这是因为由于腔壁与叶片边缘之间的距离为大约1或2毫米而叶片跨距或弦长约为30厘米或更大，所以气流不能绕过叶片。作为这种几何形状的结果，气流不能绕过叶片而必须推动叶片，从而通过使叶片具有与气流速度相同的速度而将大量空气动能传递给叶片。叶片可以是简单的平面片状金属或者其他材料，从而降低该叶片的制造成本。另一方面，凹形叶片可提供更大的气动效率和结构强度。因而图1中的叶片可具有凹形设计。与利用螺旋桨的空气涡轮相比，该设计的转子叶片明显较小。气动效率高的螺旋桨跨距长度应当至少为螺旋桨弦长的10倍。因此，对于2MW的机器来说，各个叶片的长度约为40米，而重量约为11公吨。当该叶片转动时，其产生相当大的离心力，该离心力可能将叶片从其轴扯下。由于叶片的离心力为：

F＝∫ω²Rdm

ω为转速

R为螺旋桨叶片的质量元的局部半径

dm为螺旋桨叶片的微分质量元

随着叶片转速的增加，在其轴上产生更大的离心力。这是为何基于螺旋桨的空气涡轮必须在高速风下停止的原因。在本发明中，叶片的跨距短，叶片的质量小，因而整个转子组件小而轻，这使得作用在转子和转子叶片上的离心力大大小于螺旋桨型风力涡轮。因此，本申请的实施例能够在更高的速度下转动而无需大大加强转子结构。

因此，转子的低重量降低了转子的转动惯性矩，这使得通过气流来开始转动比现有得风力涡轮更容易。由于功率等于直接力与速度的乘积，即P＝F×V，因而转子的转速是获得高输出功率的重要因素。

此外，在本实施例中，作用在转子叶片上的气动力是“升力”和曳力(drag)的合力。在本实施例中，由于关注的是正交于叶片的气动力的组合效果，因而失速(stall)没有意义。因此，升力和曳力用于相同的目的，即增大与叶片主平面正交的力，并且多个力的合力使得力更加稳定。因此，对于该转子实施例来说，将气动力视作曳力。本实施例的曳力系数对于被垂直气流撞击的方形叶片来说在1.0到2.0的范围内。因而，基于气动曳力的设计是本发明的另一方面。

在飞行器机翼以及螺旋桨叶片中，机翼的几何构造源自诸如NACA65系列的翼型。各翼型均具有弦，该弦被定义为连接前缘和后缘的直线。在该实施例中，机翼通过其翼型的后缘区域安装到转子毂上，这与叶片通过整个翼型区域连接到毂上的螺旋桨叶片或涡喷发动机的轴流式涡轮不同。因此，具有通过翼型的后缘区域连接到毂上并且在封闭腔中沿气流路径与气流一起运动的轻型转子叶片的转子设计是本发明的附加方面。

渐缩管嘴108是本发明的主要方面。管嘴截面积朝向喉部114逐渐减小(在该喉部处管嘴截面积最小)，从而迫使气流152加速，即，将空气内能转换成动能。

为了使由于紊流而导致的动能损失最小化并防止管嘴内的静压力升高，入口108设有导向叶片112。这些导向叶片是平面并且薄的刚性件(由金属、塑料或诸如碳纤维、玻璃纤维等的组合物制成)，它们迫使气流彼此“平行”地以流线型流动从而具有管嘴壁的大致方向，以使离开导向叶片朝向喉部114流动的气流具有相同的速度且尽可能平稳地流动而不混合，并且气流在喉部114处平行于管嘴壁并与转子叶片126正交。箭头154表示了该流。结合有导向叶片以减少管嘴内的紊流和降低静压力升高的渐缩管嘴设计是本发明的另一方面。

喉部114的截面积约为入口110的截面的1/10，喉部114使得气流150的速度与自然风速相比提高了大约十倍，而其动能提高了大约100倍。由于较长的管嘴有利于防止紊流和压力升高，这对于获得等熵流以及管嘴输送尽可能大的空气质量同时最小化入口溢出的能力来说很重要，因此管嘴的长度和形状是效率和重量考虑之间的折衷。将气流内能转换成动能的渐缩管嘴是本发明的主要方面。

为了证明该高动能增益，应该计算沿着管嘴从入口直到喉部的空气参数：

入口110的截面的气流参数：

入口110处的截面积A₁＝10M²

入口110处的风速V₁＝21.737FT/SEC(请注意，选取该值是为了易于稍后的数值计算)

入口110处的空气密度ρ₁＝0.002378Slug/FT³(海平面处的标准大气值)

入口110处的空气温度T₁＝32°F(冬季平均空气温度)

需要知道喉部114(气流撞击涡轮叶片128和126的地方)的相同参数，即：

喉部114处的截面积A₂＝1M²(由设计给定)

喉部114处的风速V₂＝？

喉部114处的空气密度ρ₂＝？

喉部114处的空气温度T₂＝？

1000°R下空气的C_p/C_v的比值为γ＝1.4

解：利用以下公式：

1)[C_pT+V²/2]₁₁₄＝常数＝C_pT₀]₁₁₀；未知数：截面114处的T、V

能量守恒；参考书第140页的方程24。

2)p＝ρRT；未知数：截面114处的T、p、ρ

理想气体的状态方程；参考书第130页的方程2。

3)[ρVA]＝常数；未知数：截面114处的ρ、V

连续方程；参考书第155页的方程22。

4)T/ρ^γ-1＝C＝T₀/ρ₀ ^γ-1；未知数：截面114处的T、ρ

绝热可逆流；参考书第142页的方程29。

(对于绝热流来说，截面114处的T₀和ρ₀与截面110中的具有相同的值，并且可以通过给定参数利用方程1和4来计算)

有4个未知数V、T、p、ρ，它们是截面(section)114处的气流参数。由于因为以上方程4，最终求解该组方程需要用试探法，该参考书在第152至159页进一步推导了该解。利用马赫数而不是气流速度V的定义对广义解进行了说明，并且在参考书第153页的图4和该书的表2中示出了这些解。

表2

流参数与亚音速流的M

取自国家航空顾问委员会许可的NACA TNl428的数值

该参考书中继续讨论了被称为“Laval管嘴”的渐缩-扩散管嘴，参见第156页至第159页，其中利用局部Mach＝1.0处的临界面积A^*的定义给出了该解(第157页第2行)。第157页中的方程26、27和第158页中的图7、图8给出了流参数。项A^*/A在计算流参数时非常有用，在表2中包含了该项。

求解渐缩管嘴的中的流参数的方法如下：

步骤1：针对为截面110规定的马赫数计算比值A^*/A：

计算渐缩管嘴中的气流达到马赫1.0(即音速)处的截面积A^*。请注意，音速a是T的函数：因此，应该计算截面110处的马赫数：

截面110中的音速为：

${a]}_{S110}=\sqrt{1.4\×1715\×(460+32)}=1086.87\mathrm{FT}/\mathrm{SEC}$

由于截面110处的马赫数为：M＝V/a＝21.737/1086.87＝0.02

所以对于表2中的该值得到：

$A^{*}/A{]}_{S110}=0.03455\⇒A^{*}/10=0.03455\⇒A^{*}={0.3455M}^2$

步骤2：计算截面114处的马赫数

由于A^*是已知的，并且A]_S114＝1.0平方米，则对于截面114，A^*/A为：

A^*/A＝0.3455/1.0，在表2中在M＝0.205的插值数据线上找到该值，即M＝0.2与M＝0.21的线之间的插值。在该插值数据线上可以得到：

(注意：T⁰由前面提供的方程针对位置(station)110直接算出)

T]_S114＝488.15°R，并且这意味着截面114中的空气比进入管嘴入口110的空气(492°R)冷。由于根据本发明，气流温度降低可用于从被渐缩管嘴吸入的云得到水，因而该气流温度降低是本发明的重要方面。

步骤3：计算截面114中的音速：

$a=\sqrt{\left(\mathrm{\γRT}\right)}=\sqrt{(1.4\×1715\×488.15)}\⇒a=1082.61\mathrm{FT}/\mathrm{SEC}$

步骤4：计算截面114中的气流速度：

V＝a×M＝1082.61×0.205＝221.93FT/SEC

因此，喉部114处的空气速度为221.9FT/SEC，这比截面110处的气流速度快221.9/21.737＝10.2倍。因此，在截面114中得到动能是截面110中的104倍的气流。动能的这种巨大提高是本发明的主要方面。由于没有外力施加在管嘴中的气流上，所以截面110的一些气流内能，即：

ΔT×C_p＝(492-488.15)×6000

已被转换成动能，即：V²]_S114/2-V²]_S110/2＝(221.9²-21.737²)/2，并且这是本发明的主要方面。

请注意，在通过方程4计算出ρ⁰并通过方程2计算出p⁰后，根据表中的针对M＝0.205的值可容易地计算出位置114处的密度压力和温度。

应该注意，针对渐缩管嘴的上述计算基于“截面变化率小或者在平行流线之间”，参见参考书第154页。因此，对于非“截面变化率小”的管嘴应该想到与理想管嘴的一些偏差，然而在任何情况下都遵守连续方程：ρVA＝常数，并且该方程规定了气流进入管嘴时该气流的加速度就处于稳态，因而在截面110处具有稳态速度。

可利用能量方程24容易地对此进行检验：

C_pT]₁₁₀+V²/2]₁₁₀＝常数＝C_pT]₁₁₄+V²/2]₁₁₄

6000×492+21.737²/2]_S110＝？6000×488.15+221.9²/2]_S114

2,952,236.＝？2,953,520

尽管两数之间有小的差异，然而它们之间的比率为0.99956，考虑到利用来自表参数的圆整参数以及马赫数所用插值的固有不准确性，这对于工程用途来说已经非常准确了。为修正该偏差：

T]_S114＝(2,952,236-221.9²/2)/6000＝487.936°R。因此，T的差异约为0.2°R，这是可忽略的误差。

因此，利用面积比为1/10的渐缩管嘴，21.737FT/SEC的自然风速增大到221.9FT/SEC，并且每单位质量的自然风动能从21.737²/2＝236.25增大到221.9²/2＝24,619.8，动能增大了104倍，这是以空气温度降低为代价的。内能到动能的这种转换是本发明的主要方面。由于通过利用该渐缩管嘴得到集中在小面积(是入口的1/10)中的高速气流，并且该气流由渐缩管嘴限定，因而需要小的涡轮叶片，其更轻并且在空气动能到机械能的转换方面更高效。

图1示出了实现这种方案的一个实施例。管嘴的从入口截面到喉部114的截面之间的长度应尽可能的短，以降低管嘴的质量并增大其对于给定质量结构的刚性，从而其甚至可以经受飓风并在飓风中进行工作。然而，渐缩管嘴应足够长，以确保等熵流和最小的入口溢出。为了实现这些对立的要求，使用了导向叶片。导向叶片112将管嘴108分成4个独立的渐缩子管嘴，每个子管嘴的入口与出口的面积比约为1/10，从而流出各个子管嘴的流具有相同速度以防止紊流。注意，各个子管嘴比主管嘴细很多。由于增加子管嘴会增大曳力、重量、复杂性和成本，这些都是不期望的，所以折衷选择子管嘴的所需数量。在管嘴尤其是短的渐缩管嘴中使用导向叶片是本发明的另一主要方面。

应该注意，为了使本发明有效，渐缩管嘴中的静态空气压力应小于上游(即，入口110处)的静压。当空气以等熵流通过渐缩管嘴而进行加速时也是如此。由于连接到发电机的涡轮被设置在喉部中或稍微在喉部之后，因而它的存在形成了对气流的气动阻力，尤其是在高输出功率的发电机的情况下。为了克服该启动问题，可利用可选的“启动”过程使涡轮具有从管嘴吸入空气的初始转速，并帮助在管嘴中建立稳态气流。将发电机与外部电源相连，以使该发电机用作电动机，使与其相连以进行转动的涡轮转动。该启动过程应当在有风时进行。该外部电源是电池或者电网。当风力涡轮发电时发电机为该电池充电，而在启动时电池提供电流。启动过程耗时短，大约用一分钟的时间，然后停止以使得稳态气流空气通过其自身的动力驱动涡轮叶片。该启动过程是本发明的另一方面。

为了初始化该启动过程，可进行多种设置。例如，安装在风力涡轮上的运动传感器产生电信号(该电信号被由该电池供电的放大电路放大)，并切换通过定时器将电池与发电机相连的继电器。该定时器将电流传送到电动机/发电机，并在几秒钟的预定时间之后断开给电动机的电力。另一设置是在管嘴的内部或其外部结合一皮托管(Pitot tube)以实际地感测任何气流。由于进入皮托管的气流而引起的皮托管内的压力升高被转换成电信号(模拟信号或数字信号)，该电信号到达控制系统230，触发该控制系统以使其通过将电池的端子连接至与风力涡轮转子相连的电动机来操作该启动系统。在启动涡轮后，在至少5分钟或更长时间内，控制系统不能初始化另一启动，以仅允许自然风初始化启动而不允许在启动过程中由风力涡轮产生的气流初始化启动。该控制系统基于CPU(中央处理器单元)和保存有计算机程序的存储器装置，该计算机程序监测风力涡轮的状态，并根据来自皮托管的最小自然风的空气速度数据“确定”何时初始化该启动过程。而且，大气数据以及来自表2的数据可存储在该存储器装置中。该数据是控制过剩空气通道161(参见与图3有关的附加细节)或者本发明其他实施例的其他特征所需的。可应用其他方法来启动涡轮，例如应用预编程的定时器，其以预定时间或时间间隔启动涡轮转动；操作命令来自远程控制装置，或者甚至人工命令操作电开关，以操作根据本发明的家用风力涡轮。

本发明的主要优点在于甚至在低风速且尺寸紧凑的情况下也能产生大量的能量的能力，因此这种装置可以容易地安装在每个建筑物的屋顶上。例如，将会计算根据图1的入口直径为1米的渐缩管嘴的输出功率。

假设风速为21.737FT/SEC(即，6.6米/秒，很常见的微风)，在喉部114处产生的风速为221.9FT/SEC。现在计算作用在与速度为221.9FT/SEC的喉部气流54暂时正交的叶片126上的气动力。

利用之前计算出的喉部数据(参见14至15页)并利用插值比ρ/ρ₀＝0.9793计算喉部处的空气密度：

ρ＝ρ₀×0.9793＝0.002378？0.9793＝0.0023288

F＝1/2ρV²SC_D，其中S是叶片126的面积，C_D＝1.0为叶片126(截面114)的曳力系数。

由于涡轮叶片约束管嘴喉部内的气流，所以假设在具有涡轮负载情况下，与该气流速度相比喉部中的气流速度降低了30％，即气流速度为221.9×0.7＝155.3FT/SEC

S]_S114＝(π×1²/4)×10.76)/10＝0.845平方FT

F＝0.5×0.0023288×155.3²×0.845×1.0＝23.6695Lb＝105.3牛顿

功率为：

P＝F×V＝105.3×(155.3*0.3048[米/秒])＝4984.8W

现在计算在没有涡轮负载的情况下喉部处的气流能量：

Ek＝0.5MV²＝0.5×ρV×A×V²＝0.5×0.0023288×221.9×0.845×221.9²

＝10,722.8[FT-LB]＝10,722.8×0.3048×0.454×9.8＝14,541.3焦耳/秒

因此，上述功率输出计算表明该风力涡轮从14.5千瓦产生5千瓦是很保守的，实际输出功率可能大约为7千瓦。

对于西方国家的普通家庭来说，5.0千瓦的输出功率是足够的。该输出功率是由6.6米/秒的轻风产生的，更强的风会使该数字加倍或者更大。

由于该风力涡轮的长度约为2.5米，其尺寸使各个城市的上千家庭能在任何城市建筑物的屋顶上具有这种风力涡轮。采用本发明能够使国家显著节约能量、减少污染，并通过使家庭自己发电而为许多家庭提供降低生活成本的方式。当然，风速更高时，这种风力涡轮的主人可将电卖给当地的电力公司。

图2示出了图1的风力涡轮的正视图。所有被标号的元件都具有与图1中的相同的附图标记。该图示出了导向叶片112，其横穿管嘴的宽度延伸以处理整个流。导向叶片112的跨距在图3中清楚可见。导向叶片的尺寸被选择为使得对空气进行加热的动能损失最小。可增加垂直导向叶片(该图中未示出)以防止紊流的横向流紊流效应。

图3示出了图1的空气涡轮的俯视剖视图。除在图1中未示出的元件以外，所有被标号的元件都具有与图1的相同的附图标记。转子主轴120由于施加在其叶片127(为使图易读，未示出其余叶片)上的气动力而转动。轴120具有与带驱动器173啮合的带轮170，该带驱动器使直径小于带轮170的带轮171转动，因而带轮171以足以驱动发电机175的高转速转动，发电机175将机械能转换成电能。电流形式的电能通过未示出的电线从发电机输出。

可选的过剩空气排放系统160至163的作用是使该设计能应付风速可能达到300千米/小时的飓风。增大10倍的飓风空气速度超过Mach＝1.0。为防止管嘴内的冲击波(wave shock)，空气通道160将会打开，从而增大喉部的面积，这会降低喉部114处的空气速度以使其保持在Mach＝1.0以下。结合有过剩空气通道是本发明的另一方面。控制系统230集成有诸如皮托管的空气速度测量装置236，该空气速度测量装置用于测量喉部中的滞点压力(stagnation pressure)，模数转换器(未示出)将该压力转换成电信号，并通过线238传送至控制系统的CPU。该CPU运行计算机程序，该计算机程序监测喉部处的气流速度，并在该速度达到M＝1时通过远程控制电致动器162及其臂163打开电操作的门161。存储在控制系统的存储器装置中的气动数据(例如来自参考书的表2)在本申请的其他实施例的各种任务中用于该控制系统。当马赫数朝向M＝1.0增大时，该控制系统向电致动器(航空工业的常用装置)发送电信号，该电致动器推动刚性的臂163打开门161，使得在喉部前面的一部分空气可通过通道160流出，从而喉部处的气流不超过M＝1，从而防止冲击波、噪音和振动。因此，该可选的空气通道使得该风力涡轮能够在强风中工作，以利用来自这些破坏性自然事件的一些能量。结合有过剩空气排放系统是本发明的另一方面。

图4是本发明另一实施例的侧剖视图，其示出了二维入口以及更长的空气路径，空气在该空气路径中在转子叶片上施加曳力，从而获得更高效率。图1的设计的所有其他特征都可包含于此，并包含在本申请的任何其他实施例中。图4、图5、图6的元件附图标记基本上与图1、图2和图3的相同。

图5示出了图5的空气涡轮的正视图。该实施例具有二维的空气入口。这使得能够在保持涡轮转子的直径较小的同时使入口具有大的入口面积。这对于使离心力保持较低非常重要，并因此使结构较轻且成本较低。另一方面，大功率的风力涡轮需要大的入口并且整体上对自然景观影响很大。然而，该实施例降低了设计的高度并使其具有较好的外观。大的入口面积意味着会产生更多的电。

图6是图4的实施例的顶视图。在该实施例中，转子叶片127的跨距比叶片的半径(即叶片的弦长)大5至10倍－图1或图4中所示的叶片长度。

图7是本发明的另一实施例，其具有与图1和图4中类似的转子设计，然而这里的管嘴具有可变的截面积。可变入口的优点在于防止喉部114处的气流达到Mach＝1，当风速增大时其将对流进行节流，同时对入口施加总体上大的力。对于空气涡轮的该实施例来说，转子叶片的尺寸固定，并且其最大空气速度为M＝1.0。因此，为了优化输出功率，入口面积应适于风速。低风速需要增大入口面积，而在高风速时应减小入口面积。为了改变管嘴的截面，本实施例包括两个平坦表面108，每个平坦表面都具有铰链260，从而它们可绕其铰链260的轴线转动。为了改变入口110的截面积，描述了两种可选机构。第一个是翼片250，当风速增大时其向上的升力增大。翼片250上的较大升力使得所安装的臂252绕圆柱体256转动，从而在可运动的平坦表面108上施加向下的力，该平坦表面绕铰链260的轴线转动，从而该平坦表面108的前边缘(首先遇到来风的线)向下转动，从而使入口110的截面积减小。

改变管嘴面积的另一选择是通过电子控制系统230。已针对图1的过剩空气通道160描述了该控制系统。这里，CPU监测喉部114处的气流速度并改变入口面积以将涡轮载荷下的气流速度维持在尽可能接近Mach＝1或任何其他的设计值。通过对电致动器270进行致动，使其向左推动其臂272以向左推动托架276，从而向上推动下平坦表面108，这使得平坦表面108绕其铰链260的轴线转动，由此减小入口面积。为了增大入口面积，致动器的臂272收缩到其圆柱体270内。图7中的所有其他元件都具有与图1中相同的附图标记。可变的入口面积以及自动控制系统是本发明的附加方面。应该注意，可以通过借助电话线或无线通信进行长距离通信来通过远程控制系统监测该控制系统。为实现该特征，将无线调制解调器(cellular modem)和天线与控制系统的CPU集成在一起。

图8是图7的空气涡轮的正视图。请注意，空气速度测量装置236(皮托管)的位置位于喉部平面114后面的腔室的底部，该腔室的壁平行以将流112设置成平行的流线。

图9示出了图7的实施例的俯视剖视图。注意，腔室220中的垂直导向叶片116处的流的方向被示出为将该流设置成平行线。

图10是沿着本发明另一实施例的舱体100的中心线通过垂直平面得到的剖视图。与先前的实施例中相同，渐缩喷嘴是其主要部件。这里，转子具有大约12个翼片，它们的截面734、736、738和730安装在两个平行的可转动的“环”820、850(在图11中清楚地示出)之间。各个翼片的侧端部(side tip)的侧缘牢固地连接至环820、850之一，从而当翼片绕轴线880运动时，两个环都和它们一起转动。与前述的转子设计不同，这里翼片的后缘不安装到转子的毂上，从而来流如同作用在飞行器的机翼上一样作用在这些翼片上。与在前述实施例中一样，环的转动轴线(在图11中为880)与进入该入口的流正交。图10中所示的圆740是在图11中清楚可见的转动的环820、850的内轮廓。如图所示安装导向叶片716，并且它们的侧端部安装在定子的环840、846上。这些导向叶片重新引导离开翼片734、735、736、737的可转动的翼片后缘的气流，使其朝向环820、850右侧的翼片(即翼片738、739)流动，以进一步顺时针推动这些翼片，从而在气流离开转子区域之前进一步利用来自气流的动能。翼片736与气流152瞬时正交。静止导向叶片717、718横跨管嘴108的宽度。这些导向叶片引导气流(箭头720)，使其以最佳迎角与翼片734相遇，即，各个翼片在其瞬时位置绕其转动轴线880产生最大转矩。各个翼片的转矩包括升力分量和曳力分量与瞬时合力到转动轴线880之间的距离的乘积。在环820的中心处，静止导向叶片717和718横跨管嘴的喉部，在该喉部处管嘴的截面在翼片736的位置处与来流152正交。该喉部由管嘴的侧壁(在图11中可见)形成，事实上由右侧的“环”820和840以及左侧的“环”850和846的平面形成。喉部的上壁是管嘴108的上壁的延伸部，而下壁是静止件718的顶面。该静止件防止气流在下侧的翼片730和732上产生负转矩。

由于本实施例的翼片的向外的端部面向环820、850(其用作防止翼片的端部涡动的壁)，所以本实施例的翼片相对于自由流中的螺旋桨具有很大的优越性，由此获得了在1至5的范围内的低纵横比的高效翼片。通常，螺旋桨叶片的纵横比在大约10或更大的范围内以避免由于翼片的端部涡动而导致的升力损失。另一优点在于，与仅在一端被支承的螺旋桨叶片不同，各个翼片在两端被支承。这大大提高了翼片的刚性。该设计的另一优点在于旋转半径小，这降低了作用在转子上的离心力，从而使其重量和成本最小化。

本实施例的另一优点在于曳力对涡轮的驱动转矩起主要作用。这可以从翼片735、736、737、738看出。

本实施例的另一优点在于不阻塞喉部，从而可在管嘴中形成气流，使得与本申请的先前实施例相比可降低对启动的需要。

尽管图10中示出的翼片的截面具有传统飞机的翼型，然而其他翼型可能更适合该设计。例如，具有大弯度(凹形)的翼型或者甚至具有倒圆的翼片前缘和后缘的对称凹形截面的翼型。

尽管图10中的导向叶片710、712、714不像图1中那样沿着管嘴的整个长度延伸，然而图1的导向叶片可应用于此并且可应用于任何渐缩管嘴。该转子的实施例可与本发明的任何管嘴组合使用。

图11示出了图10的实施例的正视图/剖视图。椭圆810是在管嘴位置的喉部处与气流152正交的部分。管嘴本身是由其四个角点A、B、C和D表示的矩形。翼片736在喉部的顶部清楚可见。该翼片的侧端部连接至喉部右侧的环820，而其左端部连接至环850。在该视图中转子机构是对称的，因此仅对右侧进行说明。环820为具有法向延伸的圆柱体821的中空盘，该圆柱体821“安装(seat)”在轴承824上。轴承824的转动轴线为880。盘820由诸如钢的任意刚性且耐用的材料制成。

注意，肩部822限制轴承824向左运动。轴承824“安装”在静止的管841上，该管的对称轴线与转子的轴线880一致。盘842、843和844(优选地由金属制成)用于将管841连接至定子盘840以及连接至结构的壁814。定子盘840具有对称的左侧相配的定子盘846。导向叶片711和712横跨喉部的宽度(即，在定子盘840、846之间)。各个导向叶片的侧缘连接至定子盘840或846。该转子的设计及其转动的翼片、在转子中心的静止导向叶片和防止高速气流朝反向位置处的翼片流动的构件是本发明的附加方面。

图12是组装至具有圆形截面的渐缩管嘴的喉部区域的空气涡轮的另一实施例。其为轴流式涡轮，因此图12中所示的大多数元件径向对称，如从示出了两个典型元件的图14中可见。假想线101是管嘴的外壳体(skin)，假想线108是管嘴的内壳体(如图1、图7和图10)。该涡轮是具有易于安装到渐缩管嘴的设置的轴流式涡轮。

该新颖设计具有几个优点。首先，由于从其管嘴拆卸涡轮的过程容易，因而具有更好的可维护性。涡轮是具有需要定期维护的运动部件的机器。渐缩管嘴不具有运动部件，因此需要最少的维护。因此，为了使维护任务变得容易，涡轮单元可容易地拆卸并可容易地拿到维修店，而且容易将替换单元安装到停留在其操作位置的渐缩管嘴上。该单元被构造为非常像涡喷发动机。其包括具有内框架904、外壳体901和内壳体908的舱体900。导向叶片920相对于轴线980径向对称，包围锥(wrapping cone)924为360°，从而在到来的气流912离开管嘴出口并进入截面910后，朝向涡轮的喉部区域914引导该气流。气流912在喉部处达到其最大速度，并到达第一排定子导向叶片930(称为“管嘴”)处，所述导向叶片包围了转动的毂960但不与其接触，参见图14中的包括多个导向叶片930的定子盘9300。如在图12中所见，静止导向叶片930的侧视图为矩形并具有截面轮廓932(还参见图13和图14)。导向叶片930是沿着与轴线980正交的同一平面布置的多个相同的这种导向叶片中的一个，并且一起形成图14中的涡轮的第一级定子9300。元件934是设置在相同表示的转子叶片940之后的该多个导向叶片的例示性表示。转子的毂960牢固地安装在其轴906上，该轴经由轴承956、957和杆件(bar)950通过杆件950、951被支承至舱体的外部结构框架904、905、906。这些杆件并不径向对称而是仅对称地具有分别成为十字形的四个臂，各个臂都具有翼型的截面(在图13中为952)，以当它们在气流中静止时使气动曳力最小化。

注意，杆件可抵抗作用在毂960上的任何纵向和侧向力。轴承956、957使得毂960能够绕其纵向轴线980自由转动。转子盘9400(图13和图14)承载有多个叶片940。如从图14中可见，叶片940布置在毂960的周边。

观察这里所示的用于说明气流如何从定子导向叶片930运动到转子导向叶片940的定子叶片阵列表示934及其相邻的转子叶片阵列表示944，可以看出定子叶片930将气流913引向朝向截面轮廓944阵列的最佳迎角，从而产生沿箭头990的方向推动转子叶片(即绕轴线980旋转)的最大气动力。可以看出，气流913通过定子轮廓改变其路径，从而当其与转子轮廓相遇时具有最佳迎角。呈香蕉形状的转子轮廓在利用来自气流的大部分动能方面是有用的。气流像蛇一样绕定子和转子部分运动，使得转子沿990方向(绕轴线980)转动，并且该气流最终作为气流918离开，气流918具有小的纵向速度分量和小的切向速度分量。

转子叶片截面942具有具有对称的高拱形气动轮廓，这对于从驱动气流获取尽可能多的动能是很重要的。定子盘(管嘴)930和转子盘940分别具有截面932、942的这种设置被称为“冲击式涡轮”。冲击式涡轮被设计为使从气流获取的能量最大。由于各涡轮级从气流提取动能的能力有限，所以为该设计增加了可选的附加冲击级涡轮938、948。

轴906承载发电机970至972以及后缘锥975，从而当该轴转动时,发电机972的转子也转动，但发电机970的定子由于被与杆件950类似的杆件952支承而保持静止。通过穿过支承件952的线来传送电力。

涡轮舱体的框架904位于涡轮-发电机单元的重心处，从而使安装至框架904的运输吊钩109位于该重心处。当使用吊钩109吊起该单元时，该单元将基本处于水平位置，从而容易将其引入到渐缩管嘴的后入口中。在该单元处于适当位置后，驱动螺栓穿过管嘴框架104进入涡轮框架902、903、904、905，以将涡轮牢固地安装到其渐缩管嘴上。涡轮后部的锥具有孔907，以帮助将涡轮单元从其管嘴拉出。

图13示出了主要的涡轮部件是如何组装的。将锥924连接到轴906上，然后将臂950安装在轴承956上，该轴承956安装在轴906上。接着，优选地通过键槽将毂盘960牢固地连接到轴上。然后将定子盘9300围绕毂960设置，稍后通过其外环938将其连接至舱体的内壳体，因而其是静止件。然后将转子盘9400组装在轴上以与毂960一样牢固地连接至该轴。

图14示出了定子盘9300和转子盘9400的平面图。

与涡喷发动机类似组装的轴流式空气涡轮单元与渐缩或渐缩-扩散管嘴结合使用是本发明的一方面。

图15示出了本发明的另一实施例。在侧剖视图中，渐缩管嘴1000安装在垂直管1050上，该管可用作塔架，其通过缆绳1047、1048和基座1068固定至地面。在缆绳1047、1048的法向平面内作用的附加支承缆绳未示出。这样安全地安装该高的结构(几百米)。该设计适用于长度为1米以上的任何塔架。进入渐缩管嘴入口1010的空气被导向叶片1020至1023引导并进入到管顶部的开口1051中。该气流被作为气流1014沿该管向下推动，并作为气流1016穿过管1057而进入任何类型的空气涡轮，特别是本申请中所述的实施例。该实施例(图15的实施例)具有三个优点：1、管嘴被设置为高于地面以捕获更高速度的风；2、不必将涡轮单元安装在高的塔架上，在高的塔架上进行维护很困难、昂贵而且危险；3、渐缩管嘴的副产品是水。申请人认识到，在之前给出的多种方案中，自然空气温度降低4° Rankin。这可使被渐缩管嘴吸入的云980达到使水蒸汽变成水滴的液化温度，水滴在渐缩管嘴内流动并流入管1050、1055，在管底部的小孔使得水能够流入到管1065中，然后收集在储水器(未示出)中。因此，在缺水的干旱地区，本实施例可提供高质量的水和电力。为了将管嘴对准风，垂直翼1090通过结构1092施加气动力，从而使管嘴转向风中。为了能够进行该转动，采用与图1中类似的机构130至140。管1050可在管1055内转动。直径较小的管1052牢固地安装到管1055上并延伸到管1050中，其中该管1052用作轴，管1050在翼1090的力的作用下绕其转动。盘1041牢固地安装到管1050上，位于相似的盘1042(其牢固地安装到管1055上)的顶部，使得顶部的盘1041可在底部的盘1042上滑动。夹具1045从其下侧安装到底部的盘1042上，从而防止盘1041向上运动，由此使管1050和整个管嘴组件保持在管1055的顶部，并且具有绕沿管1050的中心线延伸的垂直轴线转动的能力。

因此，当气动力施加至垂直翼1090时，该力在渐缩管嘴组件上产生转矩，迫使管嘴转动，直至气动力减小到零为止，即，翼1090与风向一致并且入口1010面向来风。

图15的实施例适用于还旨在制造水的大功率涡轮。例如，计算2兆瓦的风力涡轮的尺寸。利用风速为21.737FT/SEC的数据：

$P=F\×V\⇒F=P/V=\mathrm{2,000,000}/(221.9\×0.3048)=\mathrm{29,570}N=\mathrm{6,646.1}\mathrm{Lb}$

因此，管嘴喉部的面积应为：

A＝2×F/(ρV²C_D)＝2×6,646/(0.0023288×221.9²×1.0)＝115.9FT²＝10.77M²

因此，管嘴入口的面积应当为喉部面积的10倍，即107.7M²，也就是说，圆形入口为10.7米，这大大小于基于螺旋桨的Vestas V80涡轮。因此，这种约12米高27米长的装置的重量和成本大大低于现有技术的基于风力涡轮的螺旋桨。

请注意，Vestas V80通过15米/秒(大大高于这里所用的6.6米/秒)的风产生2兆瓦的功率。因此，上述尺寸的涡轮在15米/秒时可产生约8兆瓦的功率。

图15的实施例适用于电站。其具有大的(入口直径为20至100米或更大)渐缩管嘴，可用于产生几百兆瓦的功率。而且，如果需要水，则可以将管嘴安装在山上，在山上云接近地面，因此短的管就足以捕获云并将其转变成水。

由于本发明关于空气内能到动能的转换，所以期望将管嘴内的气流在经过喉部时加速到具有最大能量的最大可能速度。该速度为音速或略低于音速。为获得该速度，应该使用渐缩-扩散管嘴。如在先前的多个示例中所示，管嘴入口部分110(图1)处的马赫数以及位置110到位置114(喉部)之间的面积比决定了可获得音速的喉部的面积。由于风速不是常数，所以提供了图16中的另一实施例，其中自动控制系统1230改变喉部的面积而入口面积保持不变，这与图7的实施例相反。管嘴1408具有入口1410，自然风1320在该入口处进入管嘴1408，该管嘴具有喉部部分1414和从位置1414到位置1418的略微扩散的管嘴，气流1520从位置1418离开管嘴并进入风力涡轮1500，该风力涡轮的对称轴线1530与管嘴的纵向对称轴线一致。控制系统的存储器存储来自参考书的表2的数据以及标准大气数据和本地大气数据，例如不同海拔高度值处的密度、压力、温度和音速。而且，集成至少一个皮托管1420以将喉部处的气流速度通知给控制系统的CPU。可选地，安装另一皮托管1421以测量气流1520的空气速度。该图中所示的管嘴可具有圆形截面或矩形截面。对于矩形截面，增加了可选的喉部面积控制系统以设置位置1414处的喉部面积，使得位置1414处的局部空气速度达到M＝1，即音速，这是在这种情况下可达到的最大空气速度。

控制系统操作两个电致动器1238、1438，各个电致动器对可运动的推式活塞(pushpiston)1239、1439进行致动。这些推/拉活塞安装在管嘴的内壳体1408、1409上，因此，当这些活塞从其缸体1238、1438向外运动时，这些活塞使喉部1414变窄，反之亦然。皮托管1420测量喉部处的气流1325的速度，并将该速度通知给控制单元(数字计算机)1230。该控制单元通过利用其算法和所存储的数据确定是否增大还是减小喉部面积，以在喉部1414处实现M＝1.0。由于皮托管1420连续发送空气速度测量值，所以该控制单元在改变喉部面积之后得到空气速度的即时反馈，从而推断如何提高气流速度。

活塞1239、1439抵抗拉力装置1413而推动外壳体1408、1409(优选由钢制成)，该拉力装置1413是基于弹簧的附件，用于朝向舱体的外框架拉动壳体1409，从而增大喉部1414的面积。这些壳体的右侧边缘1500在内壳体1509上自由滑动，从而当活塞1239、1439运动以使喉部1414变窄时，壳体的边缘1500向左运动，反之亦然。该控制系统包括控制单元1230、电池1232和可选的与天线1234相连的无线收发器(该控制系统与2004年常见的蜂窝式电话类似)。该控制系统利用诸如1449的控制线来发送命令并接收来自诸如皮托管的传感器的数据。另一受控制的系统为电停止/断开系统1461，其使整个组件停止由于施加在垂直翼1490上的气动风力而绕垂直轴线1300的转动。需要该停止系统以防整个组件的突然转动。这在维护期间很重要，因此，可以通过蜂窝式电话发送停止命令。另选的是，可在安全距离内安装简单的电开关，以使维修人员可手动地激活该停止。整个组件安装在一个平台1465上，该平台具有插入到圆柱体1462(其中安装电停止机构1461)内的可转动的垂直轴1464。圆柱体1462牢固地连接至位于地面1470上的基座1460。整个组件可在塔架或船上位于海中并升高至高于地面，以到达任何期望的海拔高度。平台1465在两个支柱1469、1470上承载风力渐缩-扩散管嘴组件1400。风力涡轮单元1500与图12的类似，安装在支柱1450上，使得气流离开管嘴1400，进入涡轮1500的入口。可选的是，涡轮单元1500设置有如图1的实施例所述的启动系统。

可选的是，通过控制系统来控制支柱1450的高度。控制单元1230以与用于电致动器1238、1239类似的方法控制支柱1450的高度。当没有风时，支柱1450降低，从而不阻挡气流1520的路径。当开始刮风并在管嘴1408至1409中形成稳态流时，该控制单元发送命令以使风力涡轮1500升高到其工作位置，如图中所示。当风力涡轮处于其工作位置时，气流1520进入风力涡轮的入口，碰撞冲击式涡轮的转子使其转动，从而组装在风力涡轮的旋转轴线1550上的发电机发电。然后将所发的电输送给电网，其中的一部分为本地电池1530和控制系统的电池1232充电。可选的涡轮启动系统包括电池1530并且该涡轮集成有发电机/电动机，当由来自电池1530的电流驱动时，该电动机驱动涡轮的转子转动以减小对气流1520的阻力。因此，当风力涡轮1500升高到适当位置时，其转子已经在转动。当风力涡轮处于其工作位置时，控制系统停止该启动过程并且电池1530停止向电动机/发电机发送电流。设置可选的电致动器1467、1468以改变风离开管嘴的平面1418与风力涡轮的入口之间的距离。这用于使入口溢出和能量损失最小化。可选的皮托管1421向控制系统提供与最大可达到的速度有关的反馈，而电流计/电压计(未示出)提供与发电机产生的电有关的重要数据。

图17示意性地示出了本发明的另一实施例。承载有两个环602和606的垂直管600牢固地安装在地面660上。这些环可绕管600转动。梁608、610牢固地安装至在602、606上。管嘴620通过销612和614安装到梁608、610上，因而管嘴可以绕销612、614的垂直轴线任意转动。这对于降低梁608、610的疲劳应力很重要。

管嘴620本身内承载有风力涡轮690，示意性地示出了该风力涡轮以强调可在该管嘴中安装本申请或者其他设计的任何空气涡轮。可选的承载梁640通过环642连接至管600。垂直支柱644支撑管嘴的后端。支柱644具有翼型的截面，从而其还用作稳定器。可选的地面支承支柱644具有轮648，该轮可绕其转动轴线649转动。

环602、606可选地安装至具有如图所示的截面605的翼状整流件(fairing)600，以使进入管嘴入口的空气速度最小化。当刮起风630时，其使管嘴转动以面向该风(如图所示)，这是由于管嘴的横向力会使其绕管600的垂直轴线601转动。而且，可选的支柱644用作飞行器的垂直稳定器，并有助于使管嘴620与风对准。在所述对准期间，轮649在刚性表面660上转动。在气流632进入管嘴628之后，气流到达空气涡轮690，使涡轮转子转动并作为气流638离开扩散管嘴629。

该实施例的优点在于：其固有的稳定性和其可用于小管嘴(入口直径为1米)到大(入口直径为100米)管嘴的能力。风630经过可选的翼型整流翼604并且作为气流632进入管嘴。在管嘴的喉部中，涡轮690将空气动能转换成电。注意，该管嘴是渐缩-扩散管嘴以帮助稳定管嘴内的气流。

可选地，针对先前实施例所述的所有先前的构造对于该实施例也都有效。

此外，管嘴620及其支承机构602至649的整个安装可设置有使管600(以及任选的支柱644)缩短从而降低管嘴的装置。包围该整个装置(embodiment)的防护壁(未示出)可阻挡强风冲击和损坏该风力涡轮。

而且，该实施例可安装在海上，其中用船或浮标来代替轮649。

图18示出了本发明的另一实施例。已针对图1证实，如果空气从面积较大的入口朝向面积较小的截面流动，则渐缩管嘴将一些空气内能转换成动能(参见本申请第14页)。为了使本发明不依赖于风力，产生人工气流是值得的，因为渐缩管嘴能够通过将空气内能转换成动能来增大气流的动能。已表明转换成动能的内能的量是自然(风)动能的221.9²/21.737²＝104.2倍。因此，本发明的另一实施例包括位于图18所示的管嘴入口的动力风扇520，其产生朝向设置有空气涡轮502的喉部514的气流530。该空气涡轮是本申请的图12中所示的空气涡轮，然而也可使用其他空气涡轮。图18中所示的涡轮502示出了机械功率输出系统，其获得涡轮的一些功率并经由与齿轮562啮合的齿轮552将该功率传递至轴560，该轴560将转动功率传递给齿轮箱568并经由轴569传递至任何转动功率消耗装置。这种结构是用于驱动车辆的发动机。为了启动涡轮/发动机，驱动器将动力风扇520和电动机528连接至电池(未示出)。风扇520将空气530吸入渐缩管嘴，气流在渐缩管嘴中加速并到达涡轮502。这里的涡轮502包括未示出的发电机，该发电机安装在轴551上，如图12所示。

动力风扇520优选地由电动机528驱动，然而可使用任何外部动力。例如，与风扇的毂526相连的由任何外部动力驱动的动力轴(PTO)可驱动该风扇。风扇吸入空气530并将其作为气流532推向喉部514。风扇支承梁528具有翼型的截面529以使曳力最小化，并沿着对称轴线引导气流。可选的导向叶片540(优选地由铝或不锈钢制成)横跨管嘴的宽度延伸以保持气流不分离，从而使紊流和升压最小化。导向叶片可以是绕管嘴的对称轴线550对称设置的薄的平面金属片或者圆形金属片。这些导向叶片(可应用于本申请的所有管嘴)的重要方面在于这些导向叶片的下游边缘的斜面彼此平行并且平行于管嘴的对称轴线550。这对于防止紊流和确保在导向叶片之间形成的所有子流的平稳组合很重要。

此外，如图20所示，延伸以承载风扇的涡轮轴可驱动该风扇。

假设风扇由额定功率为X千瓦的电动机528驱动。此外，假设风扇将50％的电力转化成动能，并且由于紊流和分离，管嘴仅80％等熵。因此进入到入口510中的稳态流仅具有电动机528所投入的电能X的大约30％。然而，由于渐缩管嘴的作用，在喉部中，动能可增大100倍(假设喉部面积为入口510的面积的1/10)，该动能为30X，即所投入的能量的30倍。如果涡轮502的效率为50％，则其提供15X的功率，从而功率的净收益为14X。因此，得到独立的能量机，其以空气内部的内能源为代价产生比其消耗的能力更多的能量。与涡喷发动机舱体一样，舱体500设置有纵梁502和框架503，它们支承内壳体508和509以及舱体的外壳体。图1至图17的实施例提到的所有安装结构都可应用于此。应该注意，本实施例也可在具有或不具有发动机508的动力的情况下靠风力运行。在该装置靠自然风进行工作的情况下，需要校准的垂直尾翼。而且，注意锋利的入口前缘，其不同于涡喷发动机舱体中具有的典型的倒圆前缘。在入口中实施动力风扇可用作家用电站、向电网和汽车发动机提供电力的公共电站。对于公共电站，由于其已经具有蒸汽设施，所以可使用蒸汽动力来驱动动力风扇，同时发电机为电网提供电力。

图19是本发明的另一实施例，其中渐缩或渐缩-扩散管嘴组合有动力风扇，涡轮用作驱动飞行器的涡轮螺桨发动机。图19是沿着舱体、管嘴和风扇的对称轴线550的侧剖视图，舱体、管嘴和风扇都相对于轴线550径向对称。在入口500和608处，风扇520安装在轴525上，该轴的转动轴线与轴线550一致。电动机528使轴525转动，从而使风扇520转动，该风扇在转动的同时吸入空气530，该空气530流入所述管嘴。进一步朝向下游的箭头532表示经过了静态翼628之后的管嘴500内的气流，该静态翼的截面529引导气流平行于轴线550流动。而且，导向叶片540(也称为分流叶片)防止紊流，并形成将气流534朝向涡轮入口514引导的子渐缩管嘴。在发动机已通过利用诸如电池或其他源的外部电源启动后，当气流在涡轮的喉部处达到其最高速度时，其使安装在轴551上的涡轮转子502转动，从而迫使该轴转动以驱动伞齿轮552，该伞齿轮与安装在轴560上的伞齿轮562啮合，轴560进入发电机568，发电机568发出电力并驱动风扇520。风扇520将空气喷射到两个管嘴500和608。风扇520的外部喷射气流570使其通过导向叶片640。通过向内或向外移动管嘴的可移动壁603来改变管嘴的截面积，以使该空气加速或减速，以在空气离开排气部分618时产生最大的推力。管嘴壁603具有从圆柱体切割出的矩形形状。包围管嘴周边的多个这种部分使得能够改变管嘴的喉部。因此，壁603可移动并通过铰链604和电致动器606的安装元件609与舱体600相连。电致动器606的另一端安装有供致动器臂606缩进的缸体605，该电致动器迫使元件612向左运动并使其绕铰链604的铰合线逆时针转动，从而增大管嘴的截面积。另选的是，致动器605-606可以是液压致动器。图19的下半部分示出了两个管嘴都处于其正常位置的发动机。框架610加强了舱体600，并牢固地连接至舱体的外壳体609，外壳体609是推靠在可移动的门616的壳体615上的弹性材料，从而当门616移动时，壳体519保持与其接触。梁620是多个径向分布的支承梁，它们具有翼型的截面621，并使容纳有涡轮的内管嘴与外舱体的内壳体602相连。

为启动该发动机，从电池或其他源向驱动风扇轴525的电动机528提供电流。

由于飞行器的发动机需要在大范围的空气速度(从起飞时的零速度到巡航时的最大速度)下工作，使气流接近Mach＝1.0的渐缩-扩散管嘴的理论喉部面积根据入口处的速度而变化。这样，如果发动机的设计点是起飞速度，则当飞行器增速时，需要增大管嘴的喉部面积，否则会阻塞(chalk)气流，即在喉部处会达到Mach＝1，但是气流质量速率不会增大。为了避免该阻塞，管嘴的内壁516可移动，并且管嘴的内壁516被示出为处于截面积增大的位置，而其闭合位置以607示出。该几何形状可变的管嘴是本发明的另一方面。

为了增大该发动机的推力，设置了可选的燃料喷射器700、704和706。这些燃料注射器在整个管嘴截面径向分布，未示出的多个径向分布的翼628引导气流，各个翼可选地承载这些燃料喷射器。线702示出了燃烧中的燃料的火焰蔓延的锥。在高海拔高度巡航(20,000FT以上)时尤其需要这样的燃料喷射，并且由于该发动机的推力取决于入口中的气流速度，所以这种燃料喷射可用于起飞。

图19示出了通过电动机528驱动的风扇。然而，该风扇可通过将涡轮转子502与风扇520相连的轴来驱动，从而省去了对大功率电动机528的需要。在图20示出了该方案。

在图19和图20的两个实施例中，使用与先前实施例所述类似的控制系统(图19中未示出)来控制过剩气流门516、616。为了控制发动机的推力，为电动机528提供与发动机启动功率成反比的直流电流。通过改变将发电机568的输出与延伸至电动机528的线相连的线的连接来改变发电机产生的电流(直流电流)。另选的是，使可移动的门616移动以减小外管嘴602的出口面积。图21示出了推力换向器。

为了证明这种发动机用作飞行器发动机的能力，计算入口面积为0.5M²的这种发动机在海平面处的推力和功率，飞行器速度V_AC＝0，在中央管嘴入口处的气流为V＝34M/Sec＝111.5Ft/Sec。

标准大气：T＝59+460＝519°R；ρ＝0.002378；p＝2116.2LB/Ft²；a＝1117Ft/Sec

1、计算通过中央管嘴的质量速率m：

m＝ρ×V×A＝0.002378×34/(0.3048)×0.5×10.76＝1.427Slug/Sec

2、计算将静态空气推动到V＝34Ft/Sec(入口)每秒所需的能量：

E_K＝0.5dm/dt×V²＝0.5×1.427×(34/0.3048)²＝8,878.1Ft×Lb

3、对于Mach＝0.1，利用参考书的表2计算喉部的截面积：

$A^{*}/A_1=0.1718\⇒A^{*}=A_1\×0.1718=0.5\×0.1718={0.0859M}^2={0.092\mathrm{Ft}}^2$

4、假设Mach＝1，即V＝1117Ft/Sec，计算喉部处每秒的能量：

E_K＝0.5dm/dt×V²＝0.5×1.427×(1117)²＝890,226.1Ft×Lb

5、假设涡轮效率为45％，则驱动螺旋桨的可用能量为：

0.45×890,226＝400,601.7Ft×Lb/Sec＝542,783瓦/Sec＝723.7HP

6、计算飞行器速度为185Ft/Sec时的发动机功率，假设在该速度下

风扇以大约223.4Ft/Sec(即Mach＝0.2)推动空气。

从参考书的表2得到 $A^{*}/A=0.3374\⇒A^{*}=0.5\×0.3374={0.1687M}^2$

该喉部面积大于在第3段中针对V＝34M/sec＝111.5Ft/Sec计算出的喉部面积。

因此，较小的喉部面积目前会变得阻塞，为了防止这种情况，图19中的门516打开以使过剩气流作为气流533绕过涡轮并与进入外部管嘴的气流632结合。两个气流都被涡轮提供的功率(如在第5段中所计算的)驱动。

为了增大发动机功率，可喷射喷气燃料。燃烧中的燃料会增大管嘴中的压力并且由于音速与温度的平方根成比例，因而会增大涡轮处的马赫数。因此，如果涡轮中的气体的温度增大到1000°R，则音速将为 $\sqrt{\left(\mathrm{\γRT}\right)}=\sqrt{(1.4\×1715\×1000)}=1549.5,$ 是海平面处的标准大气的空气音速的1.387倍。该音速的增大意味着涡轮功率增大1.387³＝2.67倍。

增大发动机功率的另一选择是将其设计用于大约为转速的飞行器速度，即大约为Mach＝0.15。假设入口510处的气流速度为Mach＝0.2，即：

A*/A＝0.3374？A*＝0.5_×0.3374＝0.1687M²。

7、在空气进入到入口510之前，在该入口处的气流停滞参数为：

T₀＝T+V2/2CP＝59+460+(0.×1117)²/12000＝519°R

ρ₀＝ρ(T₀/T)^(1/γ-1)＝0.002378×(519/519.)^2.5

ρ₀＝0.002378Slug/Ft³

p₀＝ρ₀RT₀＝0.002378×1715×519＝2116.3Lb/Ft²

8、计算入口510处的质量流速m：

假设等熵空气加速度从M＝0至M＝0.2，从表2中找到ρ： $[\mathrm{\ρ}/{\mathrm{\ρ}}_0{]}_{M=0.2}=0.9803\⇒\mathrm{\ρ}=0.9803\×0.002378=0.002331\mathrm{Slug}/{\mathrm{St}}^3$

m＝ρVA＝0.002331×0.2×1117×(0.5×10.76)＝2.80Slug/Sec

9、计算涡轮喉部处的空气动能，假设M＝1：

1)计算喉部处的静态温度，从表中得到：

2)计算音速：

$a/a_0=0.9129\⇒0.9129\×1117=1019.7\mathrm{Ft}/\mathrm{Sec}$

3)喉部处的气流速度为：V＝a×1.0＝1019.7

E_k]_喉部＝0.5×m×V²＝0.5×2.80×(1019.7)²＝1,455,703.3Ft×Lb

将该值与第4段计算的值进行比较，得到1,455,703/890,226＝1.63的显著增大。

假设可以使用该能量的45％，得到0.45×1,455,703＝655,066Ft×Lb。

10、计算通过螺旋桨将气流速度从M＝0.15推动到M＝0.2每秒所需的能量：

E_K＝E_K]_M＝0.2-E_K]_M＝0.15＝0.5×m×[V]_m＝0.2)²-(V]_m＝0.15)²]＝

0.5×2.80×[(0.2×1117)²-(0.15×1117)²]＝30,568.4Ft×Lb

11、螺旋桨每秒可用的净能量为：

655,066-30,568＝624,498Ft×Lb＝846.146瓦/Sec＝1128HP

通过针对M＝1、飞行器速度为M＝0.15以及在涡轮喉部处M＝1.0来设计发动机，需要喉部面积为A＝0.1687M²的更大的涡轮，并且由于喉部处的气流速度小于1.0，所以飞行器速度V＝0时的发动机速度会降低。

当然，这里所用的尺寸的涡轮螺桨发动机的当前燃料功率大约为3000HP，然而可想到利用更多的燃料，这些燃料是常见飞行器的起飞重量的主要部分，即对于诸如ATR42-400的飞行器大约为25％。

因此根据本发明的发动机：

1、该发动机不利用燃料，这意味着飞行器的飞行范围不受限制。

2、飞行器安全，没有失火的危险。

3、飞行器不需要燃料箱和燃料系统，因此更轻且制造起来更廉价，因此其运行成本低。

4、飞行器更安静，这是由于燃料燃烧会产生很大的发动机噪音。

5、飞行器不会生成CO₂，因此不会加速地球变暖进程，相反地，其降低空气温度，因而该发动机高度环保。

图20示出了利用本发明的发动机的另一实施例。这是具有相似管嘴设计的用于飞行器的另一涡轮螺桨发动机。该发动机具有两个同轴的驱动轴。内驱动轴591将涡轮的低空气速度转子504与大风扇520相连，而驱动轴590将高空气速度转子502与内部的小风扇532相连。为启动该发动机，向电动机587提供电流，该电动机通过轴584驱动伞齿轮组583-582。齿轮582牢固地连接至驱动小风扇532的外轴590。当风扇532转动时，其吸入空气530，该空气530进入内管嘴500并经过大风扇520和静止翼528(在该图中仅示出了一个)。注意，翼528通过轴承571支承内轴591。轴591在涡轮侧由臂593和轴承575支承。类似地，外轴590由静止翼531(在该图中仅示出了一个)通过轴承573支承，而另一端由臂592和轴承576支承。静止翼528和531对由风扇产生的气流进行重定向，使其平行于发动机的轴线550流动。在气流经过静止导向/支承翼531后，由相对于轴线550径向对称的导向叶片(也称为分流叶片)540引向涡轮入口。该导向叶片是可选的元件，用于维持管嘴中的等熵流并防止紊流。当气流在被渐缩管嘴500加速之后高速进入涡轮时，其使涡轮转子502转动，然后使涡轮转子504转动。转子504设计为利用通过该涡轮的气流的大部分空气动能。在该空气作为气流535离开涡轮转子后，其在扩散管嘴509中膨胀，然后作为气流536离开涡轮。转子504使内轴519转动，该轴591使通过毂570牢固地与轴591连接的大风扇520转动。该风扇是该发动机的主要推力生成器。风扇520将气流推进两个管嘴500和608。为了防止在内管嘴中出现过剩空气，门516被打开(参见图19的说明)，从而该气流533进入外管嘴并与进入外管嘴608的气流632结合。注意，可选的导向叶片(相对于轴线550径向对称)有助于保持气流不出现紊流。从该轴线径向向外延伸的可选的附加导向叶片(图中未示出)有助于防止气流由于风扇运动而产生涡流运动。

在图19和图20的两个实施例中，利用与先前实施例所述类似的控制系统(在图19和图20中未示出)来控制过剩气流的门516、616。为控制发动机的推力，操作壳体568内的制动器以控制大风扇520的RPM数，从而改变发动机的推力。

图21示出了根据本发明的涡轮螺桨发动机的另一实施例。其基本上与图20中所示的发动机相同，然而其具有推力换向器616。外管嘴的后部元件616a处于飞行器巡航位置。其通过两个电致动器605和676与舱体600相连。在着陆期间，当需要大的制动力时，飞行员操作推力换向器，即致动器676完全缩进，如在图中的另一半的678可示，而致动器605此时完全伸展，如675。该相互作用的结果是使门616a处于新位置，如617b所示。617b的位置减小了管嘴的排气面积并且一些气流转向成633和634，从而产生制动力。应当理解，发动机舱体包括多个这样的门，它们都同时操作。还要注意，从电动机568出来的轴在其安装(即，可移动的门617b已移动)后不“浮动”。实际的安装位于这种可移动的门616之间，在可移动的门处，具有管嘴的不可移动部件，并且该轴安装在这些不可移动部件之一上。

图22是根据本发明的另一实施例。该实施例通过渐缩管嘴中的气流来发电。该实施例利用与图19和图20的实施例相似的涡轮螺桨发动机的相同技术。通过驱动外轴590的外部电源来启动小风扇532。该电源可以是驱动电动机585的电池或其他电源，电动机585使轴584转动，该轴通过伞齿轮582-583驱动外轴590，外轴590使小风扇532转动，从而将空气530吸入到管嘴500中。当气流532由于渐缩管嘴而朝向风扇560加速时，其经过风扇560和具有翼型截面的支承梁562。支承翼562通过轴承526支承外轴590。绕涡轮的对称轴线550径向分布有多个支承元件562，它们也用于引导气流并消除来自风扇560的旋转流速。注意，可选的导向叶片540和541有助于保持气流不出现紊流。这些导向叶片相对于对称轴线550径向对称。气流以接近音速的速度进入涡轮并使涡轮的转子502和504转动，转子502驱动外轴590，外轴590使小风扇560转动，而转子504驱动内轴591，该内轴驱动大风扇520。当转子504获得大部分涡轮动能(通过具有高效的涡轮叶片轮廓)时，其将大部分空气动能用于两个消耗方面：第一是大风扇520，第二是用于通过伞齿轮552-562和轴560驱动发电机568。因此，大量的空气这时被推入涡轮并且由转子504产生的大量动力被传送至发电机568。所产生的电流被输送给消费者或公共电网。

图22的实施例相对于图18的实施例的优点在于，小风扇560需要少量的动力来使风扇560开始转动。在风扇560启动抽吸后，涡轮提供动力以驱动大风扇520。例如，私人家用设备可使用直径为50CM的小风扇和直径约为1米的大风扇来提供约7千瓦的电力。应该注意，与涡轮转子相连的轴可被直接驱动该设备的风扇的电动机来代替，从而由发电机585所发的电驱动电动机(图22中未示出但在图18中示出为元件528)。该电动机的轴也用作风扇的轴，如图18所示。这同样适用于风扇520，该风扇可选地由从发电机568获取电的电动机(图22中未示出)来驱动。

应该注意，根据本发明可对任何管嘴设计以及具有或不具有动力风扇的空气涡轮设计进行任意组合。因此，图16的渐缩-扩散管嘴可以与该申请中所述的任何空气涡轮组合。而且，针对本发明的一个实施例描述的任何系统都与这里所述的其中可实施该系统的其他实施例相关，并且这些示例也是本发明的一部分。例如，启动系统与所有风力涡轮的实施例相关。其他示例是可选的控制系统的应用。针对图14描述了皮托空气速度测量装置、任何运动传感器以及停止系统。而且，如在图16中所示，可在渐缩管嘴的喉部处或者在管嘴出口后面的较小距离处安装一个或者一个接一个的多个“螺旋桨”型风力涡轮。

如从数值计算可认识到，流过渐缩管嘴的空气变冷，因此可能会在管嘴中或者在涡轮的转子叶片上积存冰。防止冰积存的一种方法是在工作前以及在工作期间使用诸如油或煤油的除冰液(ice repelling liquid)喷洒管嘴元件和涡轮元件。另一种方法是通过电流或使用由电加热器产生的热空气来加热这些表面，可使用电加热器使重要部位的冰融化。防止冰积存是本发明的另一方面。

应该理解，本发明不限于以上仅以示例的方式描述的内容。相反，本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.一种用于通过将空气热能m*C_p*T转换成动能0.5m*V²并且使用该动能转换成有用功率来产生有用功率的设备，其中，m是气流质量速率，C_p是空气的定压比热，T是绝对温度，V是空气速度，所述设备包括：

a)生成气流的动力风扇，该动力风扇包括：

i)轴；

ii)毂，多个叶片安装至该毂，并且该毂连接到所述风扇轴使得当所述风扇轴旋转时，所述风扇叶片旋转并且生成气流；

b)容纳所述气流，对所述气流进行加速并且冷却所述气流的渐缩管嘴，该渐缩管嘴包括：

i)管嘴入口；

ii)管嘴喉部；以及

iii)管嘴出口；

c)涡轮转子，其包括：

i)安装有多个叶片的转子毂，所述转子设计为产生比提供给所述风扇的功率大的功率量；

ii)与安装在所述转子毂的所述毂一起旋转的转子轴，所述转子轴用于将所述转子的输出功率传递到生成所述有用功率的机构；

其中：

-所述涡轮转子安装在所述管嘴内部靠近所述管嘴喉部；

-由所述气流源产生的气流通过所述管嘴入口进入，并且沿所述管嘴出口的方向流动，冲击到所述涡轮转子叶片上，继续朝向所述管嘴出口流动，并离开所述管嘴；

-所述管嘴入口的横截面面积大于所述管嘴喉部的横截面面积，从而在所述气流朝向所述喉部流动时使所述气流的速度增加并且使所述气流的温度降低，以使得在所述管嘴喉部处的所述气流中的空气的动能比在所述管嘴入口处的所述气流中的空气的动能实质上大于所述管嘴入口处的所述气流中的空气的内能热量部分(CP·T)与所述管嘴喉部处的所述气流中的空气的内能热量部分(CP·T)之间的差；并且

-当所述气流冲击到所述涡轮转子叶片上时，所述气流的所述动能的一部分以推动所述叶片的空气动力的形式被传递到所述转子叶片，而使所述涡轮转子和所述转子轴旋转，从而将所述气流的所述动能的一部分转换为每单位时间对所述转子所做的功，所述转子轴将所述功传递到产生所述有用功率的所述机构；

所述转子设备的特征在于：叶片的数量和由翼型、叶片入口角和叶片出口角限定的所述叶片的空气动力横截面，选择叶片的参数以生成大于所述风扇中存在的气流每秒的动能的功率量，

其中，所述管嘴和所述转子被设计为使得所述气流的局部速度至少被加速到等于大约0.2的马赫数的速度。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述风扇由下面的一方或两方提供动力：

a.由外部能量源提供的动力；

b.由所述涡轮转子提供的动力；和

c.电动机。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述涡轮转子是轴流式涡轮，所述设备包括安装在所述转子前面的定子，以将所述气流朝向所述转子引导和加速。

4.根据权利要求1所述的设备，其中产生所述有用功率的机构是发电的发电机。

5.根据权利要求1所述的设备，其中产生所述有用功率的机构是用于驱动车辆的变速箱。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备被安装到垂直安装管上，并且包括用于使所述设备绕垂直轴线旋转的装置。

7.根据权利要求1所述的设备，其中管嘴喉部面积与管嘴入口面积之比是大约1/10，并且该比是可变的。

8.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括启动系统，该启动系统给予从所述管嘴吸取空气的涡轮初始旋转速度。

9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述启动系统是连接到电池的电动机。

10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备是驱动车辆的发动机。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述发动机是通过将动力风扇电动机连接到电池而启动的。

12.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备安装在车辆上并且所述动力是以下中的一方或双方：

a.电力；以及

b.推动所述车辆的推力。

13.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括控制系统和剩余空气通道，所述控制系统开启所述通道。

14.根据权利要求1所述的设备，所述设备包括所述管嘴喉部的可变横截面面积。

15.根据权利要求1所述的设备，该设备包括用于收集在所述设备的管嘴内部产生的液态水的装置，该液态水是由于包含在所述气流的空气中的水蒸汽的凝结而产生的，该凝结是由于在所述空气从所述管嘴入口朝向所述管嘴喉部流动时所述空气的温度下降而发生的。

16.根据权利要求1所述的设备，其中所述风扇轴和所述涡轮转子轴连接在一起并且一起旋转。

17.根据权利要求1所述的设备，其中所述有用功率是受控的推力。

18.根据权利要求1所述的设备，其中所述管嘴包括可移动的气流门，以允许关闭管嘴出口面积。

19.根据权利要求18所述的设备，其中所述管嘴的可移动门使气流的改向以充当推力反向器。

20.根据权利要求1所述的设备，其中多个燃料喷射器将燃料喷射到所述前动力风扇后面的气流中，并且至少一个燃料点火器点燃气流-燃料混合物。