CN106164471A - 涡轮组合件 - Google Patents

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Abstract

一种用于从保持在屏障后面的水流产生电力的设备。所述设备包括：收缩部段，其连接到混合管的第一端部，使得在收缩部段的端部与混合管之间限定文丘里管；连接到所述混合管的第二端部的扩散部段，扩散部段配置成使得在使用中在扩散部段出口处的压力大于在文丘里管处的压力；涡轮管，其包括具有多个叶片的叶片组合件。涡轮管支撑在收缩部段中使得在涡轮管与收缩部段之间限定环形空间以形成第一流动通道，并且所述涡轮管限定第二流动通道，其中所述涡轮管可旋转地安装在收缩部段中以及叶片附接到涡轮管的内表面，使得在使用中流经叶片的水流驱动涡轮管的旋转。

Description

涡轮组合件
技术领域
本发明涉及适于在从水流产生电力的过程中使用的系统和设备。具体地，本发明涉及适于在用于从水流产生电力的设备中使用的涡轮组合件。
背景技术
已经提出用于将水流转换成电力的许多系统。一种类型的装置在WO2013/190304中有所描述，其可从流动水体产生电力，尤其是在其中存在以相对较低速度流动的高体积水流量的情况下从流动水体产生电力。该文献描述了在该系统中使用标准的涡轮/驱动器布置以便产生电力。
已知在水力发电的行业中使用其它涡轮布置。一种类型的涡轮是轮缘发电涡轮(rim-generation turbines)，有时称为斯特拉富洛(straflo)涡轮。在斯特拉富洛涡轮中，管分为两个半部，即上游部段和下游部段。该涡轮包括短的圆柱形轮缘，其附接到与涡轮管相同直径的涡轮叶片上且定位于两个固定不动的管部段之间。叶片和轮缘一起旋转，其中在管的固定不动的上游部段和下游部段与旋转的涡轮轮缘的边缘之间具有小的间隙。因为管不固定到涡轮，因此上游流动路径和下游流动路径处于固定不动的管内。将轮缘和管部段之间的两个周向间隙进行密封是困难的。大的间隙会导致从涡轮盘的高压面到涡轮盘的下游低压面有过多的旁路泄漏，这将耗散所产生的功率。而小的间隙会导致由于过度密封而导致的过多摩擦力。
本发明提供适于在低压头水力发电的过程中使用的替代性涡轮组合件。具体地，描述一种可在下述情况下使用的涡轮组合件，其中存在相对低压头下的高体积水流量，该涡轮组合件例如适于在如WO2013/190304中所述的系统中使用。
发明内容
本发明的一方面包括用于从水流产生电力的设备，所述设备包括：
-收缩部段，其连接到混合管的第一端部，使得在收缩部段的端部与混合管之间限定文丘里管；
-连接到所述混合管的第二端部的扩散部段，扩散部段配置成使得在使用中在扩散部段出口处的压力大于在文丘里管处的压力；
-涡轮管，其包括具有多个叶片的叶片组合件，涡轮管支撑在收缩部段中使得在涡轮管与收缩部段之间限定环形空间以形成第一流动通道，并且所述涡轮管限定第二流动通道，其中所述涡轮管可旋转地支撑在收缩部段中以及叶片附接到涡轮管的内表面，使得在使用中流经叶片的水流驱动涡轮管的旋转。
涡轮管和叶片相对于收缩部段旋转。叶片固定地连接到涡轮管的内表面并且横跨涡轮管的内径延伸，使得当水流经叶片时叶片组合件和涡轮管一起同心地旋转。涡轮管不需要包括驱动轴，该驱动轴从叶片组合件沿着涡轮管的中心轴线延伸以便将涡轮管的旋转能量传递到外部发电机。叶片连接到涡轮管的内表面，使得当水流经叶片时叶片组合件和涡轮管一起同心地旋转。涡轮管的旋转可驱动发电机。在一个实施例中，叶片组合件定位在涡轮管内，使得在涡轮管内的第二流动通道的一部分设置在叶片组合件之前和之后。在一个实施例中，涡轮管的长度可大于涡轮管的直径。
涡轮管可旋转地安装在支撑凸台内，其中支撑凸台通过支撑导叶安装在收缩部段中。所述支撑凸台具有贯穿其中形成的中心孔以便接收和支撑所述涡轮管。支撑凸台包括轴承组合件，涡轮管在轴承组合件上围绕其纵向轴线旋转。涡轮管的内部可以不包括任何机械轴承。轴承位于第二流动通道的外部。
支撑凸台可包括支撑管，其具有的长度短于涡轮管的长度，涡轮管保持在该支撑管内。支撑凸台可进一步包括在支撑管的每一端部处的端盖(end cap)，端盖具有涡轮管可在其上旋转的轴承。
涡轮管可包括推力凸缘，其围绕涡轮管的外表面周向延伸。支撑凸台可包括推力凸台，其围绕支撑凸台的内表面周向延伸。涡轮管的推力凸缘可与支撑凸台的推力凸台接合。推力凸台和推力凸缘的接合可经由轴承组合件进行。
涡轮管可自由地旋转以驱动发电机并使得该设备能够从涡轮管的旋转能量产生电能。涡轮管可驱动用于产生电力的机械发电机(mechanical generator)或电力发电机(electrical generator)。
在机械发电机组合件中，涡轮管连接到齿轮系，所述齿轮系能够连接到发电机。在一个实施例中，涡轮管包括在其外表面上的带齿凸缘，其与位于支撑凸台和涡轮管之间的空间内的至少一个小齿轮接合。每个小齿轮连接到驱动轴，其中所述驱动轴能够连接到发电机。
该设备可在支撑凸台和涡轮管之间的空间内包括多个小齿轮和驱动轴布置。在一个实施例中，该设备包括至少两个小齿轮和驱动轴布置，每个小齿轮与带齿凸缘接合。该设备可包括两个、三个、四个或更多个小齿轮和驱动轴布置。带齿凸缘围绕涡轮管周向延伸。
在电力发电机组合件中，涡轮管和支撑凸台包括永久磁体和定子布置。在一个实施例中，涡轮管包括处于涡轮管外表面上的凹部内的永久磁体，并且支撑凸台包括与永久磁体对准的定子。凹部和永久磁体可围绕涡轮管的外表面周向延伸。
该设备还可包括延伸通过支撑导叶之一和支撑凸台的取能(power off-take)管道。机械发电机布置的驱动轴或来自电力发电机布置的电力电缆可延伸通过该管道到达设备的外部。具有通过支撑凸台和支撑导叶的管道意味着涡轮管在其内部不包括任何驱动轴和/或电力电缆。这使得第一流动通道和第二流动通道能够不具有任何驱动轴和/或电力电缆，这可有助于减少对水流的干扰。
该设备还可包括空气压缩机，以便经由延伸通过支撑导叶之一的空气管道将空气注入到涡轮管和支撑凸台之间的空间内。空气压缩机可位于涡轮管和/或收缩部段的外部。
该设备可进一步包括围绕涡轮管径向定位的鼓风机，以便经由延伸通过支撑导叶之一的空气管道将空气吸入到涡轮管和支撑凸台之间的空间内。
在一个实施例中，向下延伸的排放管道从支撑凸台通过支撑导叶延伸到收缩部段的外部。排放管道给渗入到涡轮管和支撑凸台之间的空间内的任何水提供通道。
支撑凸台可包括头部整流罩和/或尾部整流罩。在一个实施例中，头部整流罩的外部轮廓具有圆柱形轮廓或子弹形轮廓。头部整流罩的内部轮廓可具有凹形、圆锥形或凸形的形状。
在一个实施例中，叶片与涡轮管的内表面是一体的。在进一步的实施例中，管的内表面包括叶片的末端固定在其中的多个凹部。
涡轮管可包括由第一材料制成的第一部段和由第二材料制成的第二部段，其中第一材料和第二材料不同。第一材料可以是比第二材料更结实的材料。第一部段可以是管的前部部段并且包括叶片，以及第二部段可以是管的后部部段。
涡轮管的内径可以变化。在一个实施例中，涡轮管的内径在水流方向上沿其长度减小。在另一个实施例中，涡轮管具有沿其长度大致恒定的内径。
该管的位置可相对于收缩部段变化。涡轮管定位在收缩部段中，使得涡轮管的纵向轴线与收缩部段的纵向轴线大致对准。涡轮管可定位成使得收缩部段的入口在涡轮管入口的上游。在进一步的实施例中，涡轮管可定位成使得涡轮管的入口在收缩部段入口的上游。
涡轮管出口的位置也可以变化。在一个实施例中，涡轮管定位成使得涡轮管的出口延伸到混合管内。在进一步的实施例中，涡轮管定位成使得涡轮管的出口在混合管入口的上游。
该设备还包括位于第二流动通道内的预旋定子(pre swirl stator)。预旋定子可定位于头部整流罩入口中的涡轮叶片组合件之前或涡轮管入口的前面。
收缩部段、混合管和扩散部段可被制造为连续的管。在进一步的实施例中，收缩部段、混合管和扩散部段被制造为连接在一起以形成连续管的离散部段。
在一个优选的实施例中，收缩部段的轮廓配置成提供通过环形空间的主流(primary flow)的恒定加速度。扩散部段的轮廓可优选配置成提供通过扩散部段的水流的恒定减速度。
本发明的另一方面包括用于从水流产生电力的系统，所述系统包括：横跨流动水体的横截面定位的屏障；并设有至少一个如上所述的设备，其中所述设备定位成使得在使用中提供从屏障上游侧到屏障下游侧的流动路径。
本发明的另一方面包括从水的水流产生电力的方法，所述方法包括：
-将如上所述的系统或设备横跨水体安装以便提供水的蓄积体，使得在屏障的上游侧和下游侧之间产生压头差；和
-使用通过所述设备的水流来使得涡轮旋转。
屏障可包括至少两个如上所述的设备。优选地，屏障包括如上所述的设备的阵列。所述设备并入到屏障内以提供从屏障的一侧到另一侧的流动路径。
本发明的另一方面包括适于在外管中使用的涡轮组合件，所述外管具有收缩部段和发散部段，所述收缩部段连接到所述混合管的第一端部，使得在收缩部段和混合管之间限定文丘里管，而所述发散部段连接到混合管的第二端部以便用于从水流产生电力，所述涡轮组合件包括：
-涡轮管，其包括具有多个叶片的叶片组合件；和
-支撑凸台，用于安装在所述外管的收缩部段中；
其中所述涡轮管可旋转地支撑在支撑凸台内以及叶片附接到涡轮管的内表面，使得在使用中流经叶片的水流驱动涡轮管的旋转。涡轮管相对于支撑凸台旋转。
叶片固定地连接到涡轮管的内表面，使得当水流经叶片时叶片组合件和涡轮管一起同心地旋转。
所述支撑凸台具有贯穿其中形成的中心孔以便接收和支撑所述涡轮管。支撑凸台包括轴承组合件，涡轮管在轴承组合件上围绕其纵向轴线旋转。涡轮组合件可具有如上所述的涡轮管和支撑凸台的进一步的特征。
在下面的描述中，术语“上游侧”和“下游侧”被用来限定设备特征的相对位置。上游方向和下游方向相对于在使用中水流动通过设备的方向来定义。上游端可被认为是输入区域而下游端可被认为是输出区域。
附图说明
现在将通过示例的方式参照附图描述本发明：
图1示出本发明一个实施例的横截面侧视图；
图2示出本发明设备的一个实施例；
图3示出图2的剖视图；
图4示出本发明一个实施例的横截面侧视图；
图5示出本发明的收缩部段和涡轮管的横截面侧视图；
图6示出适于在本发明的设备中使用的收缩部段、涡轮管和支撑凸台的剖视图；
图7示出本发明的涡轮管和支撑凸台的端视图；
图8和图9示出适于在本发明的设备中使用的涡轮管和支撑凸台的实施例的剖视图；
图10示出涡轮管和支撑凸台的一个实施例的分解视图；
图11和图12示出本发明的涡轮管的示意性侧视图；
图13A、图13B和图13C示出本发的实施例的示意性侧视图；
图14示出本发明的涡轮管和收缩部段的示意性侧视图；
图15示出本发明的机械发电机的剖视图；以及
图16、图17和图18示出本发明涡轮管的横截面侧视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的用于将水流转换为电力的系统10。该系统包括屏障12和设备14，所述屏障12横跨水体的宽度定位，而所述设备14为水提供通过屏障12从屏障上游侧到屏障下游侧的流动通道。该系统将液压流动能转换成液压势能，然后将液压势能转换成电能。
该系统对流动的阻力引起在上游侧水自由表面的上升，产生积存的液压势能，其驱动通过设备的流，并且涡轮从该流提取机械能以便转换成电力。在提升的上游侧自由表面中积存的液压能量由上游侧流动的动能连续地补充。
参照图1、图2和图3，设备14提供从屏障12的上游位置到下游侧位置的流动通道。所述设备包括管，所述管具有收缩部段16、混合部段18和发散的扩散部段22。收缩部段16朝向混合管18变窄，使得在收缩部段16和混合管18的边界处限定文丘里管20。发散的扩散部段22从混合管18的出口延伸。
涡轮管24在支撑凸台26中可旋转地支撑在收缩部段16内，使得在涡轮管24的外表面与收缩部段16的内表面之间形成环形空间28。支撑凸台包括用于接收和支撑所述涡轮管的中心孔，使得所述涡轮管24的纵向轴线与所述收缩部段16的纵向轴线大致对准。涡轮管包括叶片组合件30。当水流动通过涡轮管24时，叶片组合件30驱动涡轮管24相对于静止的支撑凸台26和收缩部段16旋转。
适于主流32的第一流动路径在涡轮管24和收缩部段16之间的环形空间内限定。适于次流34的第二流动路径在涡轮管24内限定。环形空间并不限于在管与收缩部段的内壁之间的圆形、环形空间。环形空间的形状将取决于收缩部段、涡轮管和支撑凸台的横截面形状。
横过水体的屏障12提供紧接在设备上游侧的压头。当流动随着屏障后面的水深度增加而减慢时，这将来自进一步上游侧的流的动能的一部分转换成升高水位的势能。所得压头差(H)允许势能转换成有用的能量，其高于直接从等效流动提取动能的自由流装置的输出上限，该输出上限被称为贝茨极限(Betz limit)。来自屏障上游侧的水流动通过收缩部段到达混合部段中，然后通过扩散部段从设备流出。引导通过管的次流(secondaryflow)，其经由叶片组合件驱动涡轮管的旋转，经由机械或电力取能布置产生电力。
收缩部段使在文丘里管处进入到低压区内的主流加速。低压区引导通过涡轮管的次流。主流和次流两者进入混合腔室，在混合腔室中两个流混合。该混合后的流进入扩散部段以及当水流移动通过扩散部段时水流的速度减慢。当水流动通过扩散部段时，流恢复其静压头并在离开下游的扩散部段之前损耗其动态压头。这保持文丘里管中的低的静压头。
水流的主要部分，主流32，将通过在收缩部段16和涡轮管24之间形成的环形空间28。较小体积的水，次流34，将流动通过所述涡轮管24，当其流经叶片组合件30时驱动涡轮管的旋转。因为主流32朝向文丘里管20收缩，主流加速并损耗静压头。在涡轮管24出口处在涡轮管24外部的高速主流32协助将较慢的次流34从涡轮管24的端部吸出来进入到主流32内。
因此，设备通过涡轮管的旋转能够将高体积的低压头流动转变成低体积的高压头流动，从低体积的高压头流动可有效地产生电力。
参照图4和图5，涡轮管24可旋转地支撑在静止的支撑凸台26中的收缩部段16内，并居中地位于收缩部段16内。涡轮管24提供在上游高静压头和文丘里管中的低静压头之间的流动路径。由涡轮管的上游端部和文丘里管之间的增大的压头降导致次流流动通过涡轮管。
包括多个涡轮叶片的叶片组合件30位于涡轮管24的内部。叶片组合件经由叶片的末端连接到涡轮管24的内表面，使得当水流动经过叶片组合件30时，涡轮管24围绕其中心轴线旋转。涡轮管和叶片组合件作为单个单元一起旋转。当水流动经过叶片组合件时，水流与叶片相互作用，并且这驱动涡轮管的旋转，所述涡轮管在支撑凸台中的轴承上旋转。
在一个实施例中，在涡轮管的内表面内加工出多个凹部。每个叶片具有在其末端处的区域，其成形为配合到凹部内并将涡轮叶片相对于所述涡轮管固定。凹部被加工到涡轮管前端部的内表面内，以及叶片末端区域可从管的前端部滑入到凹部内。这使得如果叶片出现损坏或需要更换的话能够将叶片从涡轮管的前端部分移除和插入，而不需要将涡轮管大幅拆解。
在一个替代实施例中，叶片末端与涡轮管的内表面是一体的。
在叶片组合件周围涡轮管没有中断，因此在叶片组合件的上游面和下游面之间没有泄漏。涡轮管24在其上旋转的轴承36、40在涡轮管24外部旋转，与流动通过叶片组合件30的流隔离。因此横跨涡轮的高压力降没有可用的旁路泄漏路径，并且所有的次流34流动通过涡轮管24的长度。
叶片组合件可以设置在从涡轮管的入口相距的足够距离，即叶片组合件从涡轮管的入口后缩(set-back)设置，使得存在流经叶片组合件的良好受控的流动。在一个实施例中，叶片组合件沿着涡轮管的部分长度设置，使得第二流动通道的至少一部分在所述叶片组合件之前设置，以及第二流动通道的至少一部分在所述叶片组合件之后设置。
通过使涡轮管和叶片组合件的叶片作为单个单元在支撑凸台内旋转，存在从叶片到管的物理连续性，这有助于消除在叶片末端的会伴随常规涡轮发生的功率损耗。叶片到涡轮管的这种连续性也有助于提高叶片的结构强度和弹性，并允许使用更小、更轻的叶片设计，这可有助于最小化功率损耗。
如图12中所示，涡轮管24可具有沿其长度大致恒定的内径。在替代性的配置中，涡轮管24可如图11中所示朝向其下游端逐渐变细成锥形。涡轮管的直径沿其长度收缩使得涡轮管24的入口具有比涡轮管的出口更大的直径。提供锥形的涡轮管对于该设备而言可有助于由于减少表面摩擦而产生更高的效率。
在一个实施例中，涡轮管24可包括两个或更多个部段。涡轮管24可包括前部承载部段44和后部部段46。前部部段和后部部段可由不同的材料制成。优选地，前部部段由比后部部段更结实的材料制成。这可通过在后部部段中使用轻和/或更便宜的材料来帮助降低系统的制造成本。对于由更结实的材料制成的部段而言可以使用的合适材料包括但不限于诸如钢、钛、铝、青铜和它们的合金等材料。对于其它部段而言的更轻和/或更便宜的材料可包括但不限于塑料或低成本的金属合金。
形成管的部段可通过常规手段来制造。在一些实施例中，包括端部固定(encastred)涡轮的前部部段可选地通过3D打印来制造。
涡轮管可具有足够的长度以使得它被定位在收缩部段中以便在文丘里管处从高压区跨越到低压区。如在图5中所示，涡轮管24的下游端可位于混合管18内，以距离X延伸到混合管内。距离X选择成优化装置的性能，并且可以是0、正值或负值。当距离X为正值时，涡轮管延伸到混合管中。当距离X为负值时，涡轮管的出口终止在混合管入口的上游侧。当距离X为0时，涡轮管的出口与混合管的入口大致对齐。
支撑凸台26包括具有中心孔的支撑管，涡轮管24被安装在中心孔中。支撑凸台由支撑导叶62安装在收缩部段16内。
涡轮管24包括推力凸缘38，其围绕涡轮管24的外表面周向延伸。涡轮管24上的推力凸缘38与推力轴承40接合，推力轴承40由带螺纹的推力凸台42约束在支撑凸台26内。带螺纹的推力凸台42围绕支撑凸台26的内表面周向延伸。推力凸缘与推力凸台的接合防止涡轮管在涡轮管旋转时向下游侧轴向移动。
在一个实施例中，支撑凸台26可包括头部整流罩48和/或尾部整流罩50，它们与支撑管接合。头部整流罩和尾部整流罩成形为当安装在支撑凸台上时对于主流呈现光滑的流体动力轮廓，以便有助于最小化由于湍流造成的能量损耗。如图5中所示，头部整流罩可以是圆柱形的，或呈现为如图15至图18中所示的子弹形轮廓。
头部整流罩48提供到涡轮管24的入口护罩，并限定适于次流34进入到涡轮管内的入口。头部整流罩的内表面与次流接触，并且可被成形为有助于设备的效率。图13例示头部整流罩内表面的一些可能的形状。如图13A中所示，头部整流罩的内表面可具有凹入的形状。图13B示出一种设备，其中头部整流罩具有圆锥形状，其具有从其入口到涡轮管入口的恒定锥度。图13C示出一种设备，其中头部整流罩具有外凸形状。在一个实施例中，设备可进一步包括连接到涡轮管入口的拦鱼栅(未示出)。拦鱼栅选择成仍然允许水流动通过涡轮管而同时防止鱼进入管。管涡轮的旋转可有助于保持拦鱼栅没有碎屑。
如图14中所示，支撑凸台26的头部整流罩48的上游端处在从收缩部段16的入口相距距离Y处。距离Y可以为零、正值或负值。当距离Y为正值时，收缩部段的入口在支撑凸台的头部整流罩入口的上游侧。当距离Y为负值时，支撑凸台的入口在收缩部段入口的上游侧。当距离Y为零时，所述收缩部段的入口与支撑凸台的头部整流罩的入口基本上对齐。
在其中自由水流速度小于每秒2米的一个优选实施例中，结合D1(收缩入口的直径)的大小来选择距离Y，以确保通过与头部整流罩的前部边缘成对准水平的收缩部段的横截面的水具有约每秒2米的平均速度。
参照图5，支撑凸台26包括凸起的内部圆形区域52。涡轮管24的推力凸缘38与支撑凸台的圆形区域52接合。发电组件位于支撑凸台26和涡轮管24之间的空间内。带螺纹的端盖54和56封闭涡轮管24和支撑凸台26之间空间的端部。端盖54和56可承载轴承36，涡轮管24围绕其纵向轴线在轴承36上旋转。密封件58设置在涡轮管24和端盖54、56之间，设置在端盖54、56与头部整流罩48和尾部整流罩50之间，和/或设置在支撑凸台26与头部整流罩48和尾部整流罩50之间。密封件58有助于限制水进入支撑凸台与涡轮管之间的空间。
支撑凸台和涡轮管还配置成使得在可能泄漏路径的入口之间存在很小的压力差或没有压力差，所述泄漏路径从次流引入到涡轮管和支撑凸台之间的空间内。这有助于防止水泄漏到该空间内。
支撑凸台26由两个或更多个支撑导叶62支撑在收缩部段中，所述支撑导叶62从支撑凸台26的外表面延伸到收缩部段16的内表面。支撑导叶的数量可以变化，优选使用三个或四个支撑导叶，然而如果需要可以使用更多或更少的支撑导叶。支撑导叶的轮廓成形为最小化主流中的能量损耗。如图8中所示，支撑导叶62通过螺栓64和/或销钉66附接到收缩部段16和支撑凸台26。其它常规的附接装置也可用于将支撑导叶附接到收缩部段和附接到支撑凸台。
在一个实施例中，支撑凸台26可包括排放管道60，其延伸通过支撑凸台26和支撑导叶62到达收缩部段18的外部。如果存在的话，排放管道被定位成使得在使用中管道60向下垂直对准，以及确实进入支撑凸台和涡轮管之间的空间内的水可被排放到设备14的外部。
涡轮管的旋转会导致一些旋转能量通过表面摩擦而传递到主流内。在一个实施例中，如图6和图7中所示，在流动中的任何不希望程度的旋转通过在头部整流罩48中包括预旋定子68来抵消。预旋定子68还可有助于防止大的碎片进入到所述涡轮管内。
发电组件位于支撑凸台26和涡轮管24之间的空间内。适于该设备的两种优选的取能选项是机械取能布置和电取能布置。
在图15至图18中示出机械取能布置。涡轮管24的推力凸缘38具有切入其上游侧中的齿轮齿。涡轮管的旋转驱动连接到带齿的推力凸缘38的齿轮系。齿轮系包括带齿的小齿轮70，其位于支撑凸台26和涡轮管24之间的空间内并与带齿的推力凸缘38接合。该小齿轮70连接到驱动轴72的一个端部。驱动轴72向上延伸通过在支撑凸台26和支撑导叶62中的管道74。涡轮管24的旋转导致小齿轮70和驱动轴72的旋转。驱动轴连接到位于设备14外部的交流发电机(未示出)以产生电力。
该设备可包括一个或多个驱动轴72和小齿轮70组合件，其与涡轮管24的带齿凸缘38接合。其中可希望具有限制设备的取能组件中应力的高功率装置，该高功率装置可包括多个驱动轴/小齿轮组合件，其中每个驱动轴72向上通过支撑凸台26和支撑导叶62中的管道74。
参照图7和图16，在一个实施例中，所述设备包括空气压缩机(未示出)，以便将空气沿着延伸通过支撑导叶62和支撑凸台26的管道76注入到支撑凸台26和涡轮管24之间的空间内。沿着管道76注入空气有助于将处于支撑凸台26和涡轮管24之间的空间内的任何水从排放管道60排出。当存在于包括机械取能布置的设备中时，空气压缩机可由齿轮系的驱动轴72驱动。
将水从包含轴承36和小齿轮70的空间移除有助于最小化在驱动系上的摩擦阻力。当设备不操作时，渗入到空间内的任何水将在重力作用下从排放管道60流出。
图8、图9和图10中示出一种电取能布置。永久磁体78被固定到在涡轮管24的外表面内加工的凹槽内。凹槽可位于涡轮管24的承载部分44内。定子80承载初级绕组82并连接到支撑凸台26。定子80通过螺栓84或其它常规的附接装置保持在支撑凸台26内。
涡轮管24的旋转导致永久磁体78在软铁铁芯定子80和初级绕组82内旋转，产生电功率。电功率经由电力电缆86通过延伸通过支撑凸台26和支撑导叶62的管道88输出。
在一个实施例中，鼓风机90装配在涡轮管24周围。鼓风机的尺寸定制成使得涡轮管的旋转导致鼓风机沿着空气管道76抽吸空气。管道延伸通过支撑凸台和支撑导叶，将空气抽吸到支撑凸台和涡轮管之间紧接在鼓风机上游侧的空间内。当存在于包括电力取能布置的设备中时，鼓风机将在压力下的空气吹入到定子周围的空间内。
定子80周围产生的空气压力通过排放管道60将任何水排放到定子周围的空间内。当设备不操作时，渗入到空间内的任何水将在重力作用下经由排放管道60流出。
经由机械或电布置对来自涡轮的功率的取能通过延伸通过支撑凸台和支撑导叶内的管道进行。这意味着主流或次流不受到驱动皮带或驱动轴的干扰，如在固定管内自由旋转涡轮的情况那样。
形成涡轮管和支撑凸台的组件的集成结构有助于减少安装时间和成本，并且有助于设备的现场定位。
收缩部段16为漏斗形式，其具有在一端部处作为用于从屏障12后面接收水的入口的第一开口和在相反端部处作为用于将水释放到混合管18内的出口的较窄开口。收缩部段16从上游端朝向混合管18的入口逐渐变细。在收缩部段和混合管的边界处限定文丘里管20。收缩部段的参数(诸如收缩的角度、部段的长度)和尺寸(诸如收缩部段的入口和出口的直径)可选择成优化设备的性能。
参照图13，如图13A中所示，收缩部段16具有自上游端至下游端的大致圆锥形的轮廓。收缩部段可简单地制造为截头圆锥体形状的单件。图13B以及图5例示一种替代配置，其中收缩部段16包括前部收缩部段92和后部收缩部段94。前部收缩部段和后部收缩部段可单独制造，其中前部收缩部段具有为截头圆锥体的简单形状，以及后部收缩部段具有更复杂的弯曲的外凸形状。图13C例示进一步优选的替代配置，其中收缩部段16沿其长度以可变的角度逐渐变细以提供外凸型的外部轮廓，其成形为对于通过环形空间的主流32产生恒定的加速度。
混合管提供在管中的部段，其中次流34与主流32可合并以形成基本上均匀的流动。流动在离开混合管18进入到扩散部段22之前是大致均匀的，其具有的速度分布允许在通过扩散部段的流动中的足够的压力恢复，以维持在所述文丘里管处的低压力和在扩散部段出口处的较高压力之间的压力差。
混合管配置成最大化次流34所通过的涡轮管的功率输出。这至少部分地通过下述来实现，即混合部段配置成优化在紧接下述位置下游的区域中的流型，在所述位置中由文丘里管中的低压导致的通过涡轮的次流开始与主流共混。混合管配置成优化在该混合管中从主流传递到次流的能量。
混合管具有开口、出口和非零长度，以便在开口和出口之间提供流动可在其中混合的足够长度的空间。限定所述混合管的管长度(L)选择成使得在流动进入扩散部段之前获得适当调节的流动。选择适于流动和压力条件的正确长度确保在快速移动的主流和较慢的次流之间的最优能量传递，使得在合并的流动进入扩散部段之前存在横跨两个流动的可接受的速度分布。
在本发明的一个实施例中，混合管可在下游方向上以半锥角β逐渐变细成锥形，使得所述混合管的出口比其入口更窄。该混合管的半锥角可以是正值或负值。在一个替代实施例中，混合管可在上游方向上逐渐变细成锥形，使得所述混合管的出口比所述混合管的入口更宽，即，混合管沿其长度朝向扩散部段发散。具有锥形混合管可促进在通过环形空间的较高速度的主流和离开涡轮管的较慢次流之间的能量传递。
混合管18的下游端连接到扩散部段22。扩散部段为漏斗的形状，其具有作为用于从混合管18接收水的入口的第一开口和在相反端部处的作为用于将水释放回到在屏障12下游侧自由流动内的出口的较宽开口。扩散部段22从混合管18的出口向外发散以在其离开扩散部段22之前减缓流动并恢复静压，并最小化通过湍流导致的能量损耗。发散的角度可选择成优化扩散性能。
扩散部段的参数，诸如部段的长度、发散角度θ，以及第一开口和第二开口的横截面面积的比率选择成当流动减速回到自由流动速度时抑制湍流并减少由于流动分离而导致的能量损耗。当流动接近扩散部段的出口时，过度的湍流、涡流和流动分离会影响压力恢复。参数选择成最大化压力恢复，使得在扩散出口处的由下游侧的水深设定的压力尽可能高于在文丘里管处的压力。
扩散部段配置成当压力恢复发生时提供通过扩散部段的以恒定的减速速率流动的主流。参照图13A和图13C，扩散部段22沿其长度以不同的角度发散至下游端。如图13A中所示，扩散部段可具有凹入型的外部轮廓。如图13C中所示，扩散部段可具有外凸型的外部轮廓部段。图13B例示具有扩散部段22的设备，所述扩散部段22以基本上恒定的角度逐渐变细以便具有大致圆锥形的轮廓。
收缩部段、混合管和扩散部段可被制造为单个连续的管。备选地，收缩部段、混合管和扩散部段可被制造为两个以上的单独部段，所述部段通过螺栓或通过其它常规的结合手段或技术保持在一起。如在图2和图3中所示，收缩部段、混合管和扩散部段示出可被制造为两个部段，收缩和混合管部段与扩散部段，其中两个部段通过螺栓96保持在一起。
可在任何两个相邻的部段之间形成圆角过渡部98，以便最小化由于引起的湍流所导致的能量损耗，如果区段之间存在尖锐边缘过渡可能会发生由于引起的湍流所导致的能量损耗。这将有助于提高系统的能量转换效率。
该设备可用于产生从1kW到超过1MW的功率输出。参照图4，收缩部段的入口直径(D1)、支撑凸台的头部整流罩的入口直径(D2)、涡轮管的出口直径(D3)、混合部段的出口直径(D4)、扩散部段的出口直径(D5)、混合部段的长度“M”和扩散部段的长度“L”可以变化以帮助提高该系统的效率。比率D4/D1、D3/D1、M/D4和L/(D5-D4)将选择成适应其中该系统将被安装的条件。
在一个实施例中，装置设计成使得水流的约80％流动通过环形空间28以及水流的剩余的约20％通过涡轮管24吸入。在一个优选的实施例中，设备配置成使得两个无量纲参数α(阿尔法)和β(贝塔)的乘积约等于0.25，其中：
α是在涡轮管出口处的总主流面积[(π/4)(D42-D32)]与在涡轮管出口处的总次流面积(πD32/4)之比；以及
β是在涡轮管中的次流的平均速度与在涡轮管出口处在环形空间中的主流的平均速度之比。
不同于在自由流体流中的动能机(kinetic energy machine)，其中任何这样的机器的最大功率受限于贝茨极限，以及这样的机器的阵列要求它们被放置成在每个机器之间具有显著的分隔距离，本发明首先由于提供横跨水体的整个宽度的屏障通过升高上游水位而从整个流动的动能产生积存的液压势能，然后将该积存势能的大部分集中到流动通过涡轮管的流动的较小部分内，并且横跨其产生相应增加的压降，允许以经济的“从水到线(water to wire)”的效率产生电能。
为了在产生功率中实现可接受的效率，本发明允许使用叶片组合件和涡轮管，其具有的直径比横跨流动水的相同水体的自由流涡轮的涡轮盘的直径更小。在许多现场，包括大多数河流和许多潮汐河口现场，自由流涡轮的理想直径可能显著超过可用的水深。较小的涡轮可与本发明的系统一起使用以便以较低的资本成本实现等效效率，以及所述系统适于在更大范围的现场内使用。
本发明系统后面的上游水的自由表面被抬升超过流动的整个宽度，通常超过1.0米到3.5米。对于自由流涡轮而言，将在涡轮上方的水表面上存在小的“隆起”，其由涡轮对水流动的阻力导致，并且其是该自由流涡轮的能量产生能力的量度。该隆起通常由正常的视力检测不到。因为贝茨极限的制约，自由表面涡轮的紧邻上游侧的抬升几乎难以察觉。此外，该小的抬升体积对于在计划中的每个自由流涡轮而言是局部的，以及贝茨极限还规定在阵列中的每个自由流涡轮之间由水显著间隔开，以使得在自由流涡轮或涡轮阵列上方和紧邻上游侧抬升的水的体积比横跨相同的流动水体放置的本发明的上游侧抬升显著更小，一般要小一个数量级或更多。抬升的水体积的这种比较是由每种类型的机器可用于转换成电力的相比较能量的直接量度。因此，本发明的系统通常具有的其可获得的能量比自由流涡轮或自由流涡轮机阵列从相同水体获得的能量多一个数量级或更多。
此外，本发明比自由流涡轮部署形成大得多的上游水压头抬升，然后通常通过在引起的次流中以3到5倍的因子进一步放大该压头差，次流通常是上游流动的20％。所以本发明的涡轮的驱动压头(压力)比横跨自由流涡轮的驱动压头(压力)更大，通常大一个数量级或更多。因此本发明的该设备可使用涡轮管和叶片组合件，其直径比通常的自由流涡轮小一个数量级或更多，并以比通常的自由流涡轮高一个数量级或更多的速度旋转。
典型的水电大坝要求通常3.5米或更高的压头差，以便有效地使发电机工作，在典型的水电大坝中，屏障横跨水通道的源头，所有水流通过涡轮。然而，由于在引起的次流中的压力放大，本发明可在大约1.0米的压头差下成本有效地操作这种涡轮。

Claims (31)

1.用于从水流产生电力的设备，所述设备包括：
-收缩部段，其连接到混合管的第一端部，使得在收缩部段的端部与混合管之间限定文丘里管；
-扩散部段，其连接到所述混合管的第二端部，所述扩散部段配置成使得在使用中在扩散部段出口处的压力大于在文丘里管处的压力；
-涡轮管，其包括具有多个叶片的叶片组合件，所述涡轮管支撑在收缩部段中使得在涡轮管与收缩部段之间限定环形空间以形成第一流动通道，并且所述涡轮管限定第二流动通道，其中所述涡轮管可旋转地安装在收缩部段中以及叶片附接到涡轮管的内表面，使得在使用中流经叶片的水流驱动涡轮管的旋转。
2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述涡轮管可旋转地安装在支撑凸台内，所述支撑凸台通过支撑导叶安装在收缩部段中。
3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述支撑凸台包括支撑管，该支撑管具有的长度短于涡轮管的长度。
4.根据权利要求3所述的设备，其特征在于，所述支撑凸台包括在支撑管的每一端部处的端盖，所述端盖具有涡轮管能够在其上旋转的轴承。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的设备，其特征在于，所述涡轮管包括推力凸缘，该推力凸缘围绕涡轮管的外表面周向延伸，并且所述支撑凸台包括推力凸台，该推力凸台围绕支撑凸台的内表面周向延伸，其中推力凸缘经由轴承组合件与推力凸台接合。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的设备，其特征在于，所述涡轮管驱动机械发电机。
7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述涡轮管包括在其外表面上的带齿凸缘，该带齿凸缘与位于所述支撑凸台和涡轮管之间的空间内的至少一个小齿轮接合，每个小齿轮连接到驱动轴，其中所述驱动轴能够连接到发电机。
8.根据权利要求7所述的设备，其特征在于，所述设备包括至少三个小齿轮和驱动轴布置，每个小齿轮与带齿凸缘接合。
9.根据权利要求2至5中的任一项所述的设备，其特征在于，所述涡轮管驱动电力发电机。
10.根据权利要求9所述的设备，其特征在于，所述涡轮管包括处于涡轮管外表面上的凹部内的永久磁体，并且支撑凸台包括与永久磁体对准的定子。
11.根据权利要求2至10中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括延伸通过支撑导叶之一和支撑凸台的取能管道。
12.根据权利要求2至11中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括空气压缩机，以便经由延伸通过支撑导叶之一的管道将空气注入到涡轮管和支撑凸台之间的空间内。
13.根据权利要求2至12中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括围绕涡轮管径向定位的鼓风机，以便经由延伸通过支撑导叶之一的管道将空气吸入到涡轮管和支撑凸台之间的空间内。
14.根据权利要求2至13中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括向下延伸的排放管道，该排放管道从所述支撑凸台通过支撑导叶延伸到收缩部段的外部。
15.根据权利要求2至14中的任一项所述的设备，其特征在于，所述支撑凸台包括头部整流罩和/或尾部整流罩。
16.根据权利要求15所述的设备，其特征在于，头部整流罩的外部轮廓是圆柱形或子弹形的。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的设备，其特征在于，头部整流罩的内部轮廓具有凹形、圆锥形或凸形的形状。
18.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，叶片与涡轮管的内表面是一体的。
19.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管的内表面包括叶片的末端固定在其中的多个凹部。
20.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管包括由第一材料制成的第一部段和由第二材料制成的第二部段，其中第一材料和第二材料不同。
21.根据权利要求20所述的设备，其特征在于，第一材料是比第二材料更结实的材料。
22.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管的内径在水流方向上减小。
23.根据权利要求1至21中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管具有大致恒定的内径。
24.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管定位成使得收缩部段的入口在涡轮管入口的上游。
25.根据权利要求1至23中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管定位成使得涡轮管的入口在收缩部段入口的上游。
26.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，所述设备还包括位于第二流动通道入口的预旋定子。
27.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管定位成使得涡轮管的出口延伸到混合管内。
28.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，涡轮管定位成使得涡轮管的出口在混合管入口的上游。
29.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其特征在于，收缩部段、混合管和扩散部段构造为连续的管。
30.根据权利要求1至28中的任一项所述的设备，其特征在于，收缩部段、混合管和扩散部段构造为连接在一起以形成连续管的离散部段。
31.用于从水流产生电力的系统，所述系统包括：横跨流动水体的横截面定位的屏障；并设有至少一个根据权利要求1至30中的任一项所述的设备，其中所述设备定位成使得在使用中提供从屏障上游侧到屏障下游侧的流动路径。
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