CN108350884B - 剪切流涡轮机械装置 - Google Patents

Abstract

披露了一种剪切流涡轮机械装置，所述剪切流涡轮机械装置包括：壳体，所述壳体具有限定空腔的壳体壁；轴，所述轴穿过所述空腔的端部处的、所述壳体壁中的轴开口延伸到所述空腔中；转子，所述转子联接到所述空腔内的所述轴上，所述转子具有从所述转子的中心轴线径向向外延伸的多个盘，所述盘具有在相邻的盘之间形成间隙的间隔布置；以及罩，所述罩用于罩住所述转子，所述罩包括：一对端盘，所述端盘联接到所述转子的相反端上；围板，所述围板在所述一对端盘的外边缘之间延伸，所述围板围绕所述转子在所述转子与所述壳体壁之间延伸，其中当所述空腔充满流体并且所述轴和多个盘旋转时，所述罩是独立于所述转子的旋转而可自由地旋转的，以便减小由于所述壳体壁而产生的所述盘上的阻力。

Description

剪切流涡轮机械装置

技术领域

本披露内容涉及一种剪切流涡轮机械装置，包括剪切流涡轮机和剪切流泵。

背景技术

剪切流涡轮机械装置或简单地剪切流装置包括具有包围转子的腔室的壳体。转子联接到轴上并且包括与轴的旋转一起旋转的多个间隔开的盘。壳体的腔室具有与转子的尺寸紧密匹配的内部尺寸。剪切流装置包括剪切流涡轮机和剪切流泵。

在剪切流涡轮机中，喷嘴沿与盘的边缘相切且与轴垂直的方向朝向盘引导流体射流。流体射流致使盘旋转，从而将流体压力和流动转换成旋转机械能。

在剪切流泵中，轴被旋转成使得转子的旋转盘对腔室内的流体施加剪切力。剪切力生成流体圆流，所述流体圆流由于离心力而从轴向外移动。以这种方式，剪切流泵将旋转机械能转换成流体压力和流动。

已经对剪切流装置进行了有限的商业使用，这至少部分地因为与其他类型的涡轮机和泵相比效率有所降低。

所希望的是对剪切流涡轮机械装置有所改进。

发明内容

本发明的一个方面提供了一种剪切流涡轮机械装置，所述剪切流涡轮机械装置包括：壳体，所述壳体具有限定空腔的壳体壁；轴，所述轴穿过所述空腔的端部处的、所述壳体壁中的轴开口延伸到所述空腔中；转子，所述转子在所述空腔内联接到所述轴上，所述转子具有从所述转子的中心轴线径向向外延伸的多个盘，所述盘具有在相邻的盘之间形成间隙的间隔布置；以及罩，所述罩用于罩住所述转子，所述罩包括：一对端盘，所述端盘联接到所述转子的相反端上；围板，所述围板在所述一对端盘的外边缘之间延伸，所述围板围绕所述转子在所述转子与所述壳体壁之间延伸，其中当所述空腔充满流体并且所述轴和多个盘旋转时，所述罩是独立于所述转子的旋转而可自由地旋转的，以便减小由于所述壳体壁而产生的所述盘上的阻力。

本发明的另一个方面提供了一种剪切流涡轮机械装置，包括：第一剪切流级，所述第一剪切流级包括：第一壳体，所述第一壳体具有限定第一锥形空腔的第一壳体壁；具有第一端的第一轴，所述第一轴穿过所述第一空腔的第一端部处的、所述第一壳体壁中的第一轴开口延伸到所述第一空腔中；以及第一锥形转子，所述第一锥形转子联接到所述第一轴的所述第一端上，所述第一锥形转子包括多个盘，所述多个盘从所述第一转子的中心轴线径向向外延伸，所述盘具有在相邻的盘之间形成间隙的间隔布置；其中所述盘被安排成使得所述盘的直径随着距转子的第一端的距离增加而增加，这样使得所述转子具有与所述第一锥形空腔的锥形形状大致匹配的锥形形状。

附图说明

以下附图阐述了其中相同的附图标记表示相同的部件的实施例。实施例通过举例而非限制的方式展示在附图中。

图1A是根据现有技术的剪切流泵的截面底视图；

图1B是图1A所示的现有技术剪切流泵的截面侧视图；

图2A是根据现有技术的剪切流涡轮机的截面底视图；

图2B是图2A所示的现有技术剪切流涡轮机的截面侧视图；

图3是根据实施例的剪切流泵的剖面透视图；

图4A是根据图3所示的实施例的剪切流泵的一部分的放大截面图；

图4B是根据图3所示的实施例的替代性实施例的剪切流泵的一部分的放大截面图；

图5是根据实施例的剪切流装置的剖面透视图；

图6是根据图5所示的实施例的剪切流装置的转子的盘的平面图；

图7是根据图5所示的实施例的剪切流装置的转子和端帽的透视图；

图8是根据图5所示的实施例的剪切流装置的壳体的剖面透视图；

图9是根据图5所示的实施例的剪切流装置的转子、收集器增压腔和喷嘴增压腔的透视图；

图10A是根据实施例的剪切流装置的转子的替代性盘的平面图；

图10B是根据图10A所示的实施例的盘的各种凸出部的端视图；

图11是根据实施例的多级剪切流装置的剖面透视图；

图12A是根据图11所示的实施例的多级剪切流装置的收集器涡轮机的透视图；

图12B是图12A所示的收集器涡轮机的一部分切除后的透视图；

图13是根据另一个实施例的剪切流装置的转子的截面图；

图14是根据另一个实施例的剪切流装置的转子的截面图；

图15是根据实施例的二级剪切流装置的剖面透视图；并且

图16A和图16B是根据图15所示的实施例的二级剪切流装置的转子的透视图。

具体实施方式

以下描述了剪切流涡轮机械装置，包括剪切流涡轮机和剪切流泵以及剪切流压缩机。尽管一些剪切流装置可以称为剪切流泵，但是应当理解，剪切流泵可以用作泵或者压缩机。为了展示的简化和清楚，可以在这些附图中重复附图标记以指示相应的或类似的要素。阐述了许多细节以提供对本文描述的实例的理解。实例可以在没有这些细节的情况下进行实践。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、规程和部件，以避免使所描述的实例模糊。本说明书不被视为受限于本文所描述的实例的范围。

图1A和图1B示出了根据现有技术的剪切流泵100的实例。剪切流泵100包括壳体102、转子104和轴106。

壳体102包括限定内腔114和外腔115的前壳体壁110和后壳体壁112。转子104位于内腔114内。转子104包括从轴106径向延伸的多个盘108。

轴106通过壳体壁110、112中的开口116、118穿过壳体110。轴106可以连接到壳体102外部的电机或发电机(未示出)上。轴106可以直接地或者经由齿轮或带等连接到电机或发电机上。

盘108在轴106上间隔开以在相邻的盘108之间形成间隙120以供流体穿过。相邻的盘108之间的间隔由间隔件122提供。泵100中的间隔件122是在轴106上、放置在盘108之间的圆垫片，但是也可以使用其他类型的间隔件122。盘108包括孔123，所述孔为通过轴向入口117进入的流体提供通路以在盘108之间的间隙120内流动。

尽管图1A和1B所示的剪切流泵100的盘108是扁平的，但是已经提出了替代性的剪切流泵，所述剪切流泵包括多个锥体而不是盘。现有技术的锥体由标准盘组成，所述标准盘以一定角度从轴向外延伸(而不是如图1A所示垂直延伸)，从而形成都具有相同外径的一系列锥体。

壳体102的形状被确定成形成用于收集器124和扩散器出口126的蜗壳。收集器124从盘108切向地收集流体，所述流体经由扩散器出口126离开。

在泵的其他实例中，可以包括矩形横截面出口。矩形横截面出口也可以用作入口，以便促进作为涡轮机和泵的剪切流装置的双重目的利用，用作涡轮机时的流体流动方向相对于所述装置用作泵时的流动方向是反向的。

出口126可以联接到流量调节器(未示出)上以调节泵100的内腔114内的压力，以便通过控制盘108之间的扭矩和流量条件来提高泵100的效率。

操作中，轴106通过来自例如电机或涡轮机(未示出)的外部施加的扭矩进行旋转。轴106的旋转引起盘108的旋转。流体通过外腔115进入泵100并经由轴向入口117进入内腔114中。流体流过盘108中的孔123并进入间隙120中。

由于粘性剪切，旋转盘108向间隙120内的流体施加力，从而在圆周运动中汲取流体。流体的动量和圆周运动导致流体沿螺旋路径朝向盘108的外边缘向外流动。在盘108的外边缘处，流体离开间隙120并且沿与盘108的边缘相切的方向流入由内腔114限定的收集器124中。离开间隙120的流体的速度可以几乎等于盘108的外边缘的速度。在收集器124中，流体流动的速度减缓并且流体的静压增加。流体经由出口126从泵离开。

现在参考图2A和图2B，示出了根据现有技术的剪切流涡轮机200。剪切流涡轮机200包括具有限定内腔208和外腔210的前壁204和后壁206的壳体202。出口211促进内腔208与外腔210之间的流体流动。轴212穿过前壁204中的开口214和后壁206中的开口216。

转子217位于内腔208内。转子217包括在内腔208内从轴212径向延伸的多个盘218。盘218的直径大致相等。相邻的盘218之间的间隔件220将盘218在轴212上间隔开，从而形成流体可以流入其中的间隙222。图2B所示的间隔件220是“Y”形间隔件。盘218包括孔224，所述孔为流体提供通路以在间隙222与外腔210之间流动。

涡轮机200包括第一喷嘴226和第二喷嘴228，所述第一喷嘴和所述第二喷嘴用于沿垂直于轴212的纵向轴线的方向将流体射流切向地引导到盘218的外边缘225上。如图2B所示，第一喷嘴226用于致使盘218和轴212沿顺时针方向旋转。如图2B所示，第二喷嘴228用于致使盘218和轴212沿逆时针方向旋转。

图2A和图2B所示的喷嘴226、228是具有矩形横截面的楔形喷嘴。楔形喷嘴226、228具有朝向喷嘴出口230、232减小的横截面面积，这样使得流体射流的速度随着流体被推动通过喷嘴226、228而增加，从而产生通过喷嘴出口230、232离开的高速流体射流。

操作中，高压流体通过例如第一喷嘴226进入涡轮机200。流体随着它穿过喷嘴226而加速，从而作为高速流体射流离开喷嘴出口230，所述高速流体射流是被切向地引导到盘218的边缘225处的。流体射流冲击到盘218的边缘225上并进入间隙222中，以通过粘性剪切拖动盘218，并将流体的动量施加到盘218，从而致使盘218旋转。盘218的旋转在轴212上产生扭矩，从而将流体的压力和动能变换成轴212中的旋转机械能。流体沿螺旋路径朝向轴212行进通过间隙222。流体流过孔224并经由流体离开涡轮机200的出口211进入外腔210。

在操作过程中，可以修改通过发电机或压缩机施加到轴212的扭矩以调节涡轮机200的流量并且提高涡轮机200的效率。替代性地或另外，可以通过控制进入喷嘴的流量、或控制离开涡轮机的流量、或控制两者来调节流量。

在诸如泵100和剪切流涡轮机200等的剪切流装置中，可以调整盘之间的间隙的大小以提高剪切流装置的效率。除一些非常高粘度的流体之外，对于大多数流体和流，盘之间的间隙典型地可约为1mm或更小。在用于低粘度、高密度流体的应用中，盘之间的间隙可以小于100微米。

现在参考图3，示出了根据本披露内容的剪切流泵300的实施例。如下文更详细地描述的，剪切流泵300包括围绕转子安排的自由旋转的多孔罩。与现有技术的剪切流泵相比，自由旋转的多孔罩通过减少由于壳体阻力造成的能量损失来提高泵300的效率。

泵300包括大体上是圆柱形的壳体302。壳体302包括在上壁306与下壁308之间延伸的侧壁304。侧壁304、上壁306和下壁308限定包围转子312的大体上是圆柱形的转子腔室310。如在此使用的，术语“上”和“下”是指图3所示的泵300的取向，并且不意图以其他方式进行限制。转子312联接到上轴部分314和下轴部分316上。电机318包围下轴部分316，以用于使下轴部分316旋转，从而使转子312旋转。

转子312包括多个盘320，所述多个盘被间隔开以在相邻的盘320之间形成间隙322。盘320包括从盘320延伸到间隙322中的可选凸出部324。凸出部324增加了盘320的表面粗糙度。增加表面粗糙度增加了间隙322内的流体与盘320之间的阻力，从而增加了从盘320向流体传递的动量。增加后的粗糙度也增加了在盘320上流动的流体的层状边界层厚度。与利用具有光滑表面的盘的转子相比，由于凸出部324而增加的层状边界层厚度有助于利用更少的盘320与更大的间隙322来将给定的扭矩施加到流体。通过在盘之间形成桥接部来防止盘320移动得更加靠近在一起或翘曲，凸出部324还可以有助于间隙322的大小在盘320的表面上沿径向更加均匀。

转子312包括上端盘326和下端盘328。上端盘326和下端盘328比转子312的盘320更厚，以便提供转子312的增加的刚度。盘320通过贯穿螺栓330联接到上端盘326和下端盘328上。上端盘326联接到上轴部分314上。下端盘328联接到下轴部分316上。通过例如螺纹连接或者通过开口弹簧圈，上端盘326可以联接到上轴部分314上并且下端盘328可以联接到下轴部分316上。

替代性地，上轴部分314和上端盘326可以形成为单件。上轴部分314和上端盘326可以通过例如3D打印或任何其他适合的方法形成为单件。类似地，下轴部分316和下端盘328可以由单件形成并且可以通过例如3D打印或任何其他适合的方法形成。

上轴部分314延伸穿过壳体302的上壁306中的上轴开口331。上轴部分314包括唇缘332，所述唇缘推压上密封件333以防止流体通过上壁306泄漏。上轴承334位于上密封件333与壳体302的上壁306之间。唇缘332、上密封件333和上轴承334被接收在壳体302的上壁306中的上凹口335内。

类似地，下轴部分316延伸穿过壳体302的下壁308中的下轴开口336。下轴部分316包括唇缘337，所述唇缘推压下密封件338以防止流体在下轴部分316周围通过下壁308泄漏。下轴承339位于下密封件338与壳体302的下壁308之间。唇缘337、下密封件338和下轴承339被接收在壳体302的下壁308中的下凹口340中。

上轴承334和下轴承339可以是例如电动同极悬浮轴承或空气动力轴承，所述轴承致使上轴部分314和下轴部分316相对于壳体302“浮动”，从而减少旋转过程中上轴部分314和下轴部分316上的摩擦阻力。电动同极悬浮轴承或空气动力轴承可能不完全支撑上轴部分314和下轴部分316以及转子312的重量。在轴承334和339是电动同极悬浮轴承或空气动力轴承的情况实例下，轴承334、339是仅径向轴承，上轴部分314和下轴部分316以及转子312的大部分重量由其他轴承支撑，如下文进一步描述的。

上轴部分314是中空的并且包括上部入口341。类似地，下轴部分316是中空的并且包括下部入口342。盘320中的每一个包括中心开口343，所述中心开口与中空的上轴部分314和下轴部分316对齐，这样使得通过上部入口341和下部入口342进入的流体可以流过转子312并且流入盘320之间的间隙322中。

与单个入口相比，提供上部入口341和下部入口342增加了入口横截面面积，从而有助于减小通过上轴部分314和下轴部分316以及转子312的流体的流量。进一步，提供上部入口341和下部入口342缩短了通过入口341和342中的一个入口进入的流体流过的距离。减小的流量和缩短的流动距离可以减少由于流体行进通过轴314和316以及转子312而造成的效率损失。替代性地，上轴部分314和下轴部分316中的一个可以是实心的，这样使得剪切流泵300包括单个入口。

在一些情况下，电机318可以包括附加结构以向电机318提供冷却，例如像，当电机318在制冷剂流内时。冷却结构可以包括例如电动机318的绕组中和周围的通道，所述通道供冷却流体流动以便冷却绕组。

转子312(包括盘320)以及上端盘326和下端盘328在自由旋转的内罩344、自由旋转的外罩345和固定的多孔膜346内旋转。如在此使用的，“自由旋转”意味着内罩344和外罩345独立于转子312以及上轴部分314和下轴部分316进行旋转。

内罩344包括上内端盘348、下内端盘350和多孔内膜352。多孔内膜352在上内端盘348与下内端盘350的外边缘之间延伸。上内端盘348定位在转子312的上端盘326与壳体302的上壁306之间。上内端盘348是环形的以围绕上轴部分314进行适配。可选的上内部径向轴承349位于上内端盘348与上轴部分314之间。下内端盘350定位在下端盘328与壳体302的下壁308之间，并且是环形的以围绕下轴部分316进行适配。可选的下内部径向轴承351位于下内端盘350与下轴部分316之间。上内端盘348和下内端盘350具有大于盘320的直径的直径，这样使得内罩344有效地包围转子312。

类似地，外罩345包括上外端盘354、下外端盘356和多孔外膜358。多孔外膜358在上外端盘354与下外端盘356的外边缘之间延伸。上外端盘354定位在上内端盘348与上壁306之间，并且是环形的以围绕上轴部分314进行适配。可选的上外部径向轴承355位于上外端盘354与上轴部分314之间。下外端盘356定位在下内端盘350与壳体302的下壁308之间，并且是环形的以围绕下轴部分316进行适配。可选的下外部径向轴承357位于下外端盘356与下轴部分316之间。上外端盘354和下外端盘356具有大于上内端盘348和下内端盘350的直径，这样使得外罩345有效地包围内罩344和转子312。

固定多孔膜346在外罩345与壳体302的侧壁304之间围绕外膜358从上壁306延伸到下壁308。固定多孔膜346与壳体302的侧壁304之间的空间形成出口增压室360。出口增压室360在壳体302的上壁306中具有出口362。

内多孔膜352、外多孔膜358和固定多孔膜346包括开口或孔隙(未示出)，这样使得转子腔室310内的流体可以穿过膜352、358、346。膜352、358、346可以由与盘320相同的材料形成，其中孔洞或孔隙通过例如切割或冲压出材料而形成。多孔膜352、358和346可以通过例如利用任何适合的材料(例如像，钛或任何适合的金属或塑料)进行的铸造或3D打印来形成。替代性地，多孔膜352、358、346可以由金属丝网或天然多孔物质(诸如织物)形成，所述天然多孔物质可以通过例如金属嵌件或任何其他适合的材料来增强。

第一轴承364位于转子312的下端盘328与内罩344的下内端盘350之间。第二轴承366位于下内端盘350与外罩345的下外端盘356之间。第三轴承368位于下外端盘356与壳体的下壁308之间。

参考图4A，示出了下内轴承351、下外轴承357、第一轴承364、第二轴承366和第三轴承368的布置的放大图。第一轴承364位于第一腔402内，所述第一腔由下端盘328中的凹口404和内端盘350中的与凹口404协作的凹口406形成。第二轴承366位于第二腔408内，所述第二腔由下内端盘350中的凹口410和下外端盘356中的与凹口410协作的凹口412形成。第三轴承368位于第三腔414内，所述第三腔由下外端盘356中的凹口416和壳体302的下壁308中的与凹口416协作的凹口418形成。

下内部径向轴承351位于下内端盘350的内边缘与下轴部分316之间的第一间隙420中。下外部径向轴承357位于下外端盘356的内边缘与下轴部分316之间的第二间隙422中。第一间隔件424位于下内部径向轴承351与端盘328之间，第二间隔件426位于下内部径向轴承351与下外部径向轴承357之间，并且第三间隔件428位于下外部径向轴承357与壳体302的下壁308之间。

图4B示出了省略下内部径向轴承351和下外部径向轴承357的替代性布置。在这个替代性布置中，内罩344和外罩345由第一轴承364、第二轴承366和第三轴承368完全支撑。在这种情况下，图4B所示的每个轴承可能需要是能够支撑轴向和径向负载的类型。

类似于图4A和图4B所示的布置，第四轴承370位于转子312的上端盘326与内罩344的上内端盘348之间；第五轴承372位于上内端盘348与外罩345的上外端盘354之间；并且第六轴承374位于上外端盘354与壳体302的上壁306之间。进一步，类似于图4A所示的布置，可选的上内部径向轴承349位于上内端盘348与上轴部分314之间，并且可选的上外部径向轴承355位于上外端盘354与上轴部分314之间。轴承349、355、370、372和374的布置与上文参考图4A和图4B所描述的结构相似，并且因此不再进一步描述。

轴承364-374可以是例如碳纤维环、电动同极悬浮轴承或任何其他类型的适合轴承或轴承类型的混合物。轴承364-374将内罩344和外罩345相对于壳体302和转子312定位，同时有助于内罩344和外罩345基本上独立于转子312以及上端盘326和下端盘328进行旋转。

在转子312的轴线竖直安装或与水平线成一定角度地安装的情况下，则可能需要轴承364-374来支撑转子312、上轴部分314和下轴部分316的重量。进一步，还可以包括附加的主止推轴承(未示出)以支撑转子312、上轴部分314和下轴部分316的全部重量。替代性地，转子312的轴线水平安装。在转子312的轴线水平安装的情况下，转子312、上轴部分314和下轴部分316的全部重量可以由轴承334和339支撑。

操作中，下轴部分316通过外部施加的扭矩(例如像，通过电机318或通过涡轮机)而旋转。下轴部分316的旋转引起转子312和上轴部分314旋转。流体通过上轴部分314中的上部入口341和下轴部分316中的下部入口342进入剪切流泵300。流体通过中心开口343进入转子312并且进入旋转盘320之间的间隙322中。通过粘性剪切，间隙322中的流体被旋转盘320拖动，从而致使流体沿着螺旋路径朝向盘320的边缘以圆周运动向外流动。

流出间隙322的流体沿循与盘320的边缘相切的路径，其速度几乎等于盘320的边缘由于转子312的旋转而移动的速度。

内罩344、外罩345和固定多孔膜346在以相对较高速度旋转的转子312与壳体302的静止侧壁304之间形成降低的相对速度多孔阻隔件。操作中，离开旋转盘320的流体在内膜352上流动，并且外膜358产生致使内罩344和外罩345旋转的粘性剪切。

内罩344和外罩345中的每一个以罩的任一侧的表面的旋转速度的中间速度旋转。例如，内罩344以转子312的旋转速度和外罩345的旋转速度的中间速度旋转。类似地，外罩345以内罩344的旋转速度和零(零是固定多孔膜346的旋转速度)的中间速度旋转。

通过转子312的旋转朝向侧壁304向外加速的流体以逐步流动的方式穿过内膜352、外膜358和固定多孔膜346。与径向方向上的流体的速度相比，在转子312的盘320的外边缘处离开的流体的角速度是非常大的。流体的角速度分量通过穿过内膜352、外膜358和固定膜346中的每一个而减小。离开固定膜346的流体具有接近零的角速度分量。通过降低离开转子312的流体的角速度，内罩344、外罩345和固定膜346将角速度转换成压力(参考伯努利定律)。

流体穿过固定多孔膜346进入增压室360中。由于从旋转盘320施加到流体的动能被转换成压力，因此增压室360中的流体相对于入口341、342处的流体具有增加的静压。增压室360中的流体通过出口362离开。调节器(未示出)可以设置在出口362处以保持离开剪切流泵300的希望的流量。

尽管图3示出了被包围在外罩345内的内罩344(它们都被包围在固定多孔膜346内)，但是替代性地，在有或没有固定多孔膜346的情况下，可以仅包括内罩344和外罩346中的一个，或者可以包括多于两个的罩。替代性地，可以仅包括固定多孔膜346。

尽管图3示出了联接到上轴部分314和下轴部分316上的转子312，但是替代性地，上轴部分314可以省略，并且转子312将以悬臂的方式联接到下轴部分316上。

现在参考图5，示出了具有锥形转子的示例性剪切流装置500。剪切流装置500被设计成通过利用锥形转子来减小壳体阻力。锥形转子减小转子的最大半径处(相对速度最高)的部分的表面积，从而减少通过壳体阻力而损失的能量并提高转子的效率。通过在转子周围使用自由旋转的多孔罩，可以进一步减小壳体阻力。进一步，盘之间的高径向速度可能限制装置的效率以及其操作范围。当与具有平直的圆柱形形状的类似转子相比时，锥形形状可以通过减小靠近轴线的盘526之间的径向流体速度来提高效率。

图5所示的剪切流装置500可以以涡轮机模式或泵模式中的任一模式进行操作。剪切流装置500包括限定转子腔504的壳体502。转子506被包围在转子腔504内。壳体502包括第一轴开口508，第一轴部分510通过所述第一轴开口延伸到壳体502中并且通过第一端帽512联接到转子506上。壳体包括第二轴开口514，第二轴部分516通过所述第二轴开口延伸到壳体502中并且通过第二端帽518联接到转子506上。

第一轴部分510和第二轴部分516是中空的。第一轴部分510包括第一轴向端口520并且第二轴部分516包括第二轴向端口522。

在泵模式中，第一轴部分联接到电机524上，所述电机使第一轴部分510旋转，从而引起转子506的旋转。在涡轮机模式下，电机可以用发电机524代替，所述发电机可以例如将由装置500产生的旋转能量转换成电力。

转子506包括多个盘526，所述多个盘被间隔开以在相邻的盘526之间形成间隙528。盘526是同心对齐的具有不同直径的平片盘。盘526按直径进行安排，这样使得转子506具有整体锥形形状，类似于两个锥体在其基部处接合在一起。具有最大直径的盘526位于转子506的中间，并且具有最小直径的盘526位于转子506的最靠近第一轴部分510和第二轴部分516的最外端处。替代性地，剪切流装置500的转子506可以具有类似于例如图11所示的转子的单个锥体的总体形状。

现在参考图6，示出了适用于转子506的盘526的实例。每个盘526具有中心开口602以有助于流体在转子506与中空的第一轴部分510和第二轴部分516之间进行轴向流动。每个盘526包括盘526的平坦表面606上的多个盘孔604。图6所示的示例性盘526中的盘孔604以第一环608、第二环610和第三环612安排，但是盘孔604可以以任何方式安排在盘526的平坦表面606上。

盘526还包括盘526的外边缘616中的凹口614。当盘526结合到转子506中时，盘孔604和凹口608有助于流体流过盘526的平坦表面606并且在外边缘610处流动。

盘526包括多个凸出部618。当安装在转子内时，凸出部618可以例如将盘526与相邻的盘526间隔开以保持相邻的盘526之间的间隙528。此外，凸出部618可以替代性地或另外以不同的、变化的高度从盘526的表面延伸，并且还可以起到类似于平盘上的粗糙度的作用，从而层化流体在盘526上的流动。凸出部618可以通过例如冲压金属片盘526来形成。通过冲压形成凸出部618将在盘526的后表面(未示出)上形成相应的凹陷(未示出)。当盘526安装在转子中时，盘526可以相对于相邻的盘526旋转，这样使得盘526的凸出部618不与相邻的盘526的凹陷对齐，以便将盘526适当地间隔开。

盘526包括多个贯穿螺栓开口620。当盘526安装在转子506内时，贯穿螺栓穿过贯穿螺栓开口620以将多个盘526联接在一起。贯穿螺栓开口620的总数被选择成使得盘526在盘526安装在转子506中时可以相对于相邻的盘旋转，这样使得一个盘526的凸出部618从相邻的盘526的凹陷偏离。

转子506分别通过第一端帽512和第二端帽518联接到第一轴部分510和第二轴部分516上。现在参考图7并继续参考图5，示出了转子506、第二轴部分516和第二端帽518的布置。

第一端帽512连接到第一轴部分510上并且第二端帽518连接到第二轴部分516上。第一端帽512可以是通过任何适合的方法(例如像螺纹连接)连接到第一轴部分512上的单独元件。替代性地，第一端帽512和第一轴元件510可以形成为单个元件。类似地，第二端帽518可以是单独元件或者可以与第二轴部分516一起形成为单个元件。

第一端帽512和第二端帽518罩住除转子506的中间区域704中的那些盘之外的所有盘526，以防止流体围绕盘526的外边缘再循环。端帽512、518不覆盖中间区域704，这样使得下文描述的喷嘴和收集器入口不被阻塞。通过第一端帽512和第二端帽518罩住转子506还减小了转子506与壳体502的壁之间的阻力。

贯穿螺栓702通过较大直径盘526的通孔螺栓孔洞620从第一端帽512延伸到第二端帽518。如图9所示，贯穿螺栓702可以不穿过朝向转子506的端部定位的较小直径盘526。这些较小直径盘526通过压缩第一端帽512和第二端帽518而保持在适当的位置。

重新参考图5，第一轴部分510包括第一唇缘530。第一唇缘530压靠第一碳面密封件532以防止流体在第一轴部分周围从转子腔504泄漏或泄漏到转子腔中。位于第一碳面密封件与壳体502之间的第一径向轴承534在壳体502内支撑第一轴部分510。第一唇缘530、第一碳面密封件532和第一径向轴承534位于第一轴开口508中的第一凹口536内。类似地，第二轴部分516包括压靠第二碳面密封件540的第二唇缘538。第二径向轴承542位于第二碳面密封件540与壳体502之间。第二唇缘538、第二碳面密封件540和第二径向轴承542位于壳体502的第二轴开口514中的第二凹口544内。第一径向轴承534和第二径向轴承542可以是例如同极电动悬浮轴承、空气动力轴承或任何其他适合类型的轴承。

剪切流装置500包括第一自由旋转内罩546和第二自由旋转内罩548以及第一自由旋转外罩550和第二自由旋转外罩552。第一内罩546和第二内罩548在转子腔504的内壁与转子506之间的空间以及第一端帽512和第二端帽518与转子506之间的空间中自由旋转。第一外罩550和第二外罩552在第一内罩546和第二内罩548与转子腔504的内壁之间的空间中自由旋转。

类似于先前描述的剪切流泵300的罩344、345，自由旋转罩546、548、550、552减小了壳体502与转子506之间的阻力。罩546、548、550、552以悬臂的方式安装为相对罩之间在转子506的中间区域704处具有间隙，以有助于将来自喷嘴的流体引导到盘526。如果例如涡轮机功能不是所希望的，那么如果类似于先前描述的剪切流泵300的罩344、345，罩546、548、550、552的结构中的一些或全部被制成多孔的，则所述罩可以完全包围转子506。

第一内罩546和第二内罩548由位于第一内罩546与第一轴部分510之间以及第二内罩548与第二轴部分516之间的对应的第一内部径向轴承560和第二内部径向轴承562支撑。类似地，第一外罩550和第二外罩552由位于第一外罩550与第一轴部分510之间以及第二外罩552与第二轴部分516之间的第一外部径向轴承564和第二外部径向轴承566支撑。第一内部径向轴承560和第二内部径向轴承562以及第一外部径向轴承564和第二外部径向轴承566可以是例如同极电动悬浮轴承、空气动力轴承或任何其他适合类型的轴承。

另外，第一内罩546和第一外罩550由位于第一端帽512与第一内罩546之间的第一止推轴承568、位于第一内罩546与第一外罩550之间的第二止推轴承570支撑以及位于第一外罩550与壳体502之间的第三止推轴承572来支撑。类似地，第二内罩548和第二外罩552由位于第二端帽518与第二内罩548之间的第四止推轴承574、位于第二内罩548与第二外罩552之间的第五止推轴承576以及位于第二外罩552与壳体502之间的第六止推轴承578来支撑。止推轴承568、570、572、574、576和578可以位于与上文参考图4A和图4B描述的凹口和轴承的布置类似地形成的凹口内。

止推轴承568、570、572、574、576、578可以是例如同极电动悬浮轴承、碳纤维环、钢珠轴承或任何其他适合类型的轴承。

壳体502包括收集器增压腔580，所述收集器增压腔包括扩散器582。收集器增压室通过多个收集器端口584与转子腔504流体连通。收集器端口584可选地包括多孔收集器膜586。壳体502还包括多个喷嘴增压腔588。

图8示出了剪切流装置500的三个收集器端口584a、584b和584c，每个收集器端口包括对应的多孔收集器膜586a、586b和586c。剪切流装置500包括图8所示的视图中未包括的附加的收集器端口584和多孔膜586。示出了两个喷嘴出口590a、590b。另外两个喷嘴出口590未在图8所示的视图中示出。

现在参考图9，示出了切除壳体502的周围部分后的收集器增压腔580、扩散器582、多孔膜584和喷嘴586的视图。提供了四个多孔膜586a-d，四个收集器端口584a-d中的每一个收集器端口处有一个多孔膜。收集器端口584a-d各自都具有相关联的扩散器腔582a-d，所述扩散器腔有助于收集器端口584a-d与收集器增压腔580之间的流体连通。收集器增压腔580包括出口592。多孔膜586a-d可以由任何适合的材料(类似于上文所述的适用于图3所示的剪切流泵300的多孔膜352、358、346的材料)形成。多孔膜586a-d形成靠近盘526的外边缘616的表面。在泵送操作过程中，离开盘526的流体以高角速度(与其径向速度相比)流动经过多孔膜586a-d。流动经过多孔膜586a-d的平行于多孔膜586a-d的表面的高角速度流体形成边界层。从流体来看的收集器端口584a-d的横截面面积与径向流量相比较大，从而由于径向方向上的低流动速度而允许流体通过多孔收集器膜586a-d高效地流动进入收集器端口584a-d中。

剪切流装置500包括四个喷嘴增压腔588，然而图9中示出了两个喷嘴增压腔588a、588b，省略了另外两个喷嘴增压腔588以提供未被遮盖的收集器增压腔580的视图。应当理解，除了图9所示的喷嘴增压腔588a、588b之外，两个喷嘴增压腔588被包括在剪切流装置500中。

喷嘴增压腔588a、588b各自包括对应的喷嘴入口594a、594b。多孔膜586a-d通过空间分离，这样使得离开喷嘴出口590a、590b的流体可以被引导到盘526而不会被多孔膜586a-d阻塞。喷嘴出口590可以围绕转子506均匀地间隔开，这样使得离开相对的喷嘴出口590的流体射流平衡各自产生的径向力。

喷嘴588可以是单独可控的，以提供优化控制，这样使得喷嘴588例如在涡轮机需要更多流量时逐步致动。进一步，每个喷嘴588的流体流量可以被调节以提供更细化的流量控制。

当剪切流装置500作为涡轮机操作时，流体通过喷嘴入口594进入。流体在喷嘴增压腔588中减速并膨胀，从而有助于离开喷嘴出口590的流体射流的更均匀的速度分布。喷嘴入口594必须足够大以容纳足够的流量，从而确保流体在离开喷嘴出口590之前不会在增压室内变成超声的。流体作为高速流体射流沿与盘526的边缘616相切的方向离开喷嘴出口590。由于粘性剪切，流体拖动盘526，从而增加了盘526的角速度并且向第一轴部分510和第二轴部分516施加扭矩。流体沿着螺旋路径向内流动通过间隙528，直到流体经由盘526中的中心开口602穿过转子506进入第一轴部分510和第二轴部分516中。流体朝向第一轴向端口520和第二轴向端口522流过第一轴部分510和第二轴部分516，从而离开剪切流装置500。施加到第一轴部分510和第二轴部分516的扭矩致使轴部分510、516旋转，这进而可以致使联接到第一轴部分510中的一个上的发电机524旋转。发电机可以生成电力或以其他方式利用由旋转轴生成的动能。为了提高剪切流装置500的效率，可以调节由发电机524施加到第一轴部分510和第二轴部分516中的一个或两个上的制动扭矩。另外或替代性地，剪切流装置的效率可以通过控制通过喷嘴增压腔588的流体流量来提高。

当在泵模式下操作剪切流装置300时，电机524使第一轴部分510旋转，从而使转子506旋转。流体通过第一轴向端口520和第二轴向端口522进入第一轴部分510和第二轴部分516。流体流过第一轴部分510和第二轴部分516，以经由中心开口602进入转子506中。流体流入盘526之间的间隙528中。从旋转盘526施加到流体的剪切力以螺旋运动朝向盘526的外边缘616拖动间隙528中的流体。在盘526的外边缘616处，流体朝向转子506的中部流过盘526中的孔和凹口614。第一端帽512和第二端帽518防止流体在包围在端帽512、518内的盘526之间再循环，并且减小对壳体502的阻力。类似于上文描述的罩344、345，第一内罩546和第二内罩548以及第一外罩550和第二外罩552减小了由于壳体502而产生的流体上的阻力。流体通过多孔膜586扩散并且进入收集器端口584中，并且收集在收集器增压腔580中。在收集器增压腔中，流体在穿过收集器出口592之前进一步膨胀并减速。调节器(未示出)可以被包括在收集器出口592处以在剪切流装置500作为泵操作时控制所述剪切流装置的效率和通过其的流量。另外或替代性地，电机的角速度也可以被调节以在剪切流装置500作为泵操作时控制所述剪切流装置的流量和效率。

参考图10A和图10B，示出了盘1000的替代性设计。代替转子506的一个或多个盘526，盘1000可以结合到图5所示的剪切流装置500中。

盘1000包括从内盘1004径向向外延伸的多根刷毛1002。内盘1004可以包括凸出部1006。当安装在转子内时，凸出部1006可以例如将盘1000与相邻的盘1000间隔开以保持盘1000之间的间隙。凸出部1006可以与上文参考图6描述的盘526中的凸出部618的形成类似地形成。中心开口1008可以被包括在内盘1004的中心处，这样使得当盘1000安装在联接到中空轴上的转子内时，流体可以通过中心开口1008从中空轴流入转子中。内盘1004包括多个贯穿螺栓开口1010，所述多个贯穿螺栓开口用于接收贯穿螺栓，所述贯穿螺栓在盘1000安装在转子内时将所述盘联接在一起。

刷毛1002可以具有不同的横截面。图10B示出了刷毛1002的各种横截面的实例。刷毛1012具有圆形横截面。刷毛1012可以由例如附接到中心盘1004上的线材形成。刷毛1014具有正方形横截面。刷毛1014可以通过例如从实心盘激光切割出刷毛1014来形成，其中所述盘的未切割部分形成内盘1004。刷毛1016具有形成翼面的平坦化横截面。翼型横截面可以通过减小阻力来提高转子的效率。

当安装在转子内时，流体可以流过刷毛1002之间的空间1018，从而有助于轴向流体流过盘1000。进一步，刷毛1002起到类似于平盘上的粗糙度的作用，从而层化流体在盘1000上的流动。

现在参考图11，示出了多级剪切流装置1100。多级剪切流装置1100包括：第一剪切流级1102；以及第二剪切流级1140，所述第二剪切流级通过连接器级1180联接到第一剪切流级上。与第一剪切流级1102和第二剪切流级1140类似的附加级也可以通过它们之间的附加连接器级1180添加到轴上。

第一剪切流级1102包括将第一转子1106容纳在第一腔中的第一壳体1104。第一流级1102还包括第一轴部分1108和第二轴部分1110。第一转子1106包括与先前描述的剪切流装置500的转子506的盘526类似的盘1112。虽然第一转子1106具有单个锥体的形状，而转子506具有双锥体形状，但是第一转子1106在其他方面类似于转子506。

第一轴部分1108是实心的，并且可以在泵操作过程中联接到电机1114上并且在涡轮机操作过程中联接到发电机1114上。与将第一轴部分510安装在剪切流装置中类似，第一轴部分1108安装在第一壳体1104内，并且因此在此不再进一步描述。

第一轴部分1108联接到第一端盘1116上。自由旋转的第一内盘1117和自由旋转的第一外盘1119位于第一端盘1116与壳体1104之间。第一内盘1117和第一外盘1119围绕第一轴部分1108自由旋转。第一径向轴承1121位于第一内盘1117与第一轴部分1108之间以支撑第一内盘1117。类似地，第二径向轴承1123位于第一外盘1119与第一轴部分1108之间以支撑第一外盘1119。第一径向轴承1121和第二径向轴承1123的结构和安装类似于先前相对于剪切流装置500描述的第一内部径向轴承560和第一外部径向轴承564，并且在此不再进一步描述。

第一止推轴承1125位于在第一端盘1116与第一内盘1117之间形成的凹口中，第二止推轴承1127位于在第一内盘1117与第一外盘1119之间形成的第二凹口中，并且第三止推轴承1129位于在第一外盘1119与第一壳体1104中的第一腔的内壁之间形成的凹口中。

类似地，第三径向轴承1133位于第一内罩1122与第二轴部分1110之间，并且第四径向轴承位于第一外罩1124与第二轴部分1110之间。第四止推轴承1135位于第一端帽1118与第一内罩之间，第五止推轴承1136位于第一内罩1122与第一外罩1124之间，并且第六止推轴承1137位于第一外罩1124与第一壳体1104中的第一腔的内壁之间。径向轴承1121、1123、1133、1134和止推轴承1125、1127、1129、1135、1136、1137的结构和安装类似于上文参考图4A和4B描述的径向轴承351、357和止推轴承364、366、368的结构和布置，并且在此不再进一步描述。

第二轴部分1110联接到第一端帽1118上，类似于暴露盘704的中心部分的第二端帽518，所述第一端帽包围转子1106的除了第一端部部分1115之外的盘1112。第二轴部分1110是中空的并且包括第一轴向端口1120。与先前描述的将第二轴部分516安装在剪切流装置500中类似，第二轴部分1110安装在第一壳体1104内，并且因此在此不再进一步描述。

类似于先前描述的剪切流装置500的贯穿螺栓702，贯穿螺栓(未示出)从第一端盘1116延伸到第一端帽1118以将第一轴部分1108联接到第二轴部分1110上并且将转子1106的盘1112保持在一起。类似于先前描述的剪切流装置500的第二内罩548和第二外罩552，第一剪切流级1102包括围绕第一端帽1118的第一内罩1122和第一外罩1124。第一内罩1122和第一外罩1124的结构和安装类似于先前针对第二内罩548和第二外罩552描述的结构和安装，并且因此在此不再进一步描述。

第一壳体1102包括具有多个第一收集器端口1128的第一收集器增压腔1126。第一多孔膜1130可以被包括在多个收集器端口1128中的每一个收集器端口处。第一壳体还包括多个第一喷嘴增压腔1132。第一收集器增压腔1126、第一收集器端口1128、第一多孔膜1130和第一喷嘴增压腔1132类似于上文描述的剪切流装置500的收集器增压腔580、收集器端口584、多孔膜586和喷嘴增压腔588并且因此在此不再进一步描述第一收集器增压腔1126、第一收集器端口1128、第一多孔膜1130和第一喷嘴增压腔1132。

第二剪切流级1140包括容纳具有多个盘1145的第二转子1144的第二壳体1142。第二转子1144联接到实心的第三轴部分1146和包括第二轴向出口1150的中空的第四轴部分1148上。第三轴部分1146联接到第二端盘1152上并且第四轴部分1148联接到第二端帽1154上。类似于上文描述的第一端帽1118，第二端帽包围第二转子1144的除了第二端部部分1153之外的盘1145。第二端盘1152通过穿过第二转子1144的盘1145的贯穿螺栓(未示出)联接到第二端帽1154上。第二内罩1156和第二外罩1158围绕第二端帽1154。自由旋转的第二内盘1160和第二外盘1162围绕第二端盘1152与第二壳体1142之间的第三轴部分1146自由旋转。第二壳体1142包括具有多个第二收集器端口1166的第二收集器增压腔1164，所述多个第二收集器端口包括第二多孔膜1168。第二壳体1142还包括多个第二喷嘴增压腔1170。

第二剪切流级1140的部件的结构和安装类似于上文描述的第一剪切流级1102的部件的结构和安装，并且因此在此不再进一步描述。

连接器级1180包括容纳连接器转子1182的连接器壳体1181。连接器级1180将第一剪切流级的第二轴部分1110联接到第二剪切流级1140的第三轴部分1146上。连接器级1180还通过以下方式来促进流体传递：当多级剪切流装置1100以涡轮机模式操作时，将第一轴向端口1120连接到第二级的第二喷嘴增压室1170的喷嘴入口(未示出)上；并且当剪切流装置1100以泵模式操作时，将第二收集器增压腔1164的出口(未示出)连接到第一轴向端口1120上。

连接器转子1182通过螺纹连接或其他适合的连接在第一连接器盘1183处连接到第一剪切流级1102的第二轴部分1110上。连接器转子1182通过螺纹连接或其他适合的连接由第二连接器盘1184连接到第二剪切流级1140的第三轴部分1146上。第一连接器盘1183与第二连接器盘1184之间是叶轮1185。

参考图12A和12B，示出了收集器转子1182的放大图。第一连接器盘1183包括开口1200，以供流体在连接器转子1182与第二轴部分1110的第一轴向端口1120之间流动。意图将叶轮1185设计成有助于流体流过连接级1180、同时将扭矩从第二轴部分1110传递到第三轴部分1146。叶轮1185的设计可以与图12B所示的示例性叶轮1185a-d不同。例如，图12B所示的示例性连接器转子1182包括四个叶轮1185a-d，然而叶轮1185的数量可以多于或少于四。

连接器转子1182作用来有助于流体径向流动进入或离开第二轴部分1110、同时在第二轴部分1110与第三轴部分1146之间传递扭矩。图11和图12B所示的连接器转子1182的叶轮1185a-d在第二轴部分1110与第三轴部分1146之间传递扭矩，同时有助于流体径向流动进入或离开中空的第二轴部分1110。叶轮的形状可以被确定成用于减小通过连接器转子1182的流体流动上的阻力。

连接器转子1182可以具有不同于图11和图12A-12B所示的形状和布置，只要所述布置在第二轴部分1110与第三轴部分1146之间传递扭矩，并且有助于流体在第一轴向端口1120与连接器端口1186之间流动。例如，连接器转子1182的替代性实施例可以由中空轴提供，所述中空轴将第二轴部分1110连接到第三轴部分1146上，并且包括有助于流体径向流动进入或离开中空轴的孔洞。

连接器壳体1181包括连接器端口1186，以供流体流动进入和离开连接器壳体1181。内连接器罩1187罩住连接器转子1182。外连接器罩1188罩住连接器转子1182和内连接器罩1187。固定连接器膜1189罩住连接器转子1182、内连接器罩1187和外连接器罩1188。内连接器罩1187和外连接器罩1188具有类似于第一剪切流级1102的第一内罩1122和第一外罩1124的悬臂结构。罩1187、1188、1189起到类似于先前描述的罩的作用，并且因此在此不再进一步描述。

第一连接器径向轴承1190位于内连接器罩1187与连接器转子1182之间以支撑内连接器罩1187。第二连接器径向轴承1191位于外连接器罩1188与连接器转子1182之间以支撑连接器罩1187。第一径向轴承1190和第二径向轴承1191的结构和安装类似于第一剪切流级1102的第一径向轴承1121和第二径向轴承1123，并且在此不再进一步描述。

第一连接器止推轴承1192位于在第二连接器盘1184与内连接器罩1187之间形成的凹口中。第二连接器止推轴承1193位于在内连接器罩1187与外连接器罩1188之间形成的凹口中。第三连接器止推轴承1194位于在外连接器罩1188与连接器壳体1181之间形成的凹口中。第一连接器止推轴承1192、第二连接器止推轴承1193和第三连接器止推轴承1194的结构和安装类似于第一剪切流级1102的第一止推轴承1125、第二止推轴承1127和第三止推轴承1129，并且不再进一步描述。

多级剪切流装置1100可以以涡轮机模式操作，在这种情况下，连接器端口1186联接到第二剪切流级1140的第二喷嘴增压室1170的喷嘴入口(未示出)上，并且发电机1114联接到第一轴部分1108上。

在涡轮机模式下的操作中，高压流体进入第一剪切流级1102的第一喷嘴增压腔1132的喷嘴入口(未示出)。流体以高速射流通过喷嘴出口(未示出)离开第一喷嘴增压腔1132，所述高速射流是被切向地引导到第一转子1106的盘1112的外边缘的。如前所述，流体然后径向向内地流过盘1112之间的间隙，从而由于粘性剪切而致使盘1112旋转。第一转子1106的盘1112的旋转使第一轴部分1108和第二轴部分1110旋转，这将功率传递到发电机1114。连接转子1182将扭矩从第二轴部分1110传递到第二剪切流级的第三轴部分1146。

类似于如前所述的流体穿过盘526，流体通过盘1112的孔和中心开口朝向收集器级1180轴向行进。流体行进通过中空的第二轴部分1110并且离开第一轴向端口1120，以通过连接器转子1182的连接器端口1186进入连接器壳体1181中。流体然后穿过内连接器多孔罩1187、外连接器多孔罩1188和固定多孔连接器膜1189，从而在通过连接器端口1186离开之前降低连接器壳体1181中的流体的角速度。离开连接器壳体1181的流体流入第二喷嘴增压腔1170的喷嘴入口(未示出)，并且作为高速射流通过喷嘴入口离开，所述高速射流是被引导到第二转子1144的盘1145处的，类似于上文描述的第一剪切流级的操作。流体从第二转子1144进入中空的第四轴部分1148，并且通过第二轴向端口1150离开多级剪切流装置1100。

在泵或压缩机模式下的操作中，电机1114联接到第一轴部分1108上。电机1114施加扭矩，所述扭矩致使第一轴部分1108、第一转子1106、第二轴部分1110、连接器转子1182、第三轴部分1146、第二转子1144和第四轴部分1148旋转。低压流体通过第二剪切流级1140的第二轴向端口1150进入多级剪切流装置1100。如前所述，流体流入第二转子1144并且径向向外地行进通过第二转子1144。流体穿过第二多孔膜1168并且进入第二收集器增压腔1166中。流体通过出口(未示出)离开第二收集器增压腔1166并且被输送到连接器级1180的连接端口1186。流体通过连接器端口1186和第一轴向端口1120穿过连接器壳体1181并进入第一剪切流级1102中。如前所述，流体流入第一转子1106并且径向向外地行进通过第一转子1106。流体作为高压流体穿过第一多孔膜1130以进入第一收集增压腔。

在涡轮机模式和泵模式下，轴1108、1110、1146、1148和转子1106、1144、1182的旋转方向可以是相同的。在这种情况下，可以转换多级剪切流装置1100而不会使轴1108、1110、1146、1148的旋转停止。例如，从泵模式到涡轮机模式是通过将连接器级的联接从第二连接器增压腔1164变为第二增压喷嘴腔1170进行的。所述转换可以通过以下方式提供：关闭第一收集器增压腔1126和第二收集器增压腔1164的出口(未示出)，并且打开第一喷嘴增压腔1132和第二喷嘴增压腔1170的入口。

当从一种模式转换成另一种模式时，第一级1102、第二级1140和连接器级1180的流体流动的径向流量减小到零，并且之后沿相反的方向增加。因为多级剪切流装置中的流体的径向流动速度与角速度相比相对较小，所以从泵模式到涡轮机模式的转变(或反之亦然)可以非常快速地发生并且不会使轴和转子的旋转停止。

替代性地，多级剪切流装置1100可以专门以涡轮机模式操作。在这种情况下，可以省略第一收集器增压腔1126和第二收集器增压腔1164。

替代性地，多级剪切流装置1100可以专门以泵模式操作。在这种情况下，可以省略第一喷嘴增压腔1132和第二喷嘴增压腔1170。另外，在移除喷嘴的情况下，第一内端盘1117和第二内端盘1160可以连接到对应的第一内罩1122和第二内罩1156上。类似地，第一外端盘1119和第二外端盘1162可以连接到对应的第一外罩1124和第二外罩1158上。

现在参考图13，示出了锥形转子1300的替代性设计的横截面。转子1300可以例如代替转子506结合到剪切流装置500中，或者代替第一剪切流级1102的第一转子1106和第二剪切流级1140的第二转子1144结合到多级剪切流装置1100中。

转子1300包括第一部分1302以及与第一部分1302相似的第二部分1304。第一部分1302包括多个锥体1306，所述锥体是由相邻的锥体1306之间的间隙1308间隔开的。锥体1306包括中心开口1310。锥体1306的中心开口1310与转子1300的第一外端1314处的第一轴向端口1312对齐。流体可以通过第一轴向开口1312轴向地流入中心开口1310并进入锥体1306之间的间隙1308中。第一部分1302的锥体1306可以通过例如穿过锥体1306的贯穿螺栓(未示出)联接在一起。锥体1306可以包括凸出部(未示出)，类似于如上文所描述的从平盘320延伸的凸出部324，所述凸出部例如保持锥体1306之间的间隙1308的均匀距离并增加锥体1306的表面粗糙度。

类似地，第二部分1304包括多个锥体1316，所述锥体是由相邻的锥体1316之间的间隙1318间隔开的。第二部分的锥体1316包括中心开口1320。锥体1316的中心开口1320与转子1300的第二外端1324处的第二轴向端口1322对齐。流体可以通过第二轴向开口1322轴向地流入中心开口1320并进入锥体1316之间的间隙1318中。第二部分的锥体1316可以通过贯穿螺栓(未示出)联接在一起。类似于第一部分1302的锥体1306，锥体1316可以包括凸出部。

第一部分1302和第二部分1304被中心间隙1326分离。第一部分1302和第二部分1304可以通过例如贯穿螺栓(未示出)联接在一起。中心间隙1326可以通过以下方式保持：例如通过贯穿螺栓中的凹口，所述贯穿螺栓将第一部分1302与第二部分1304联接在一起；或通过凸出部，所述凸出部从第一部分1302的最内部锥体1306与第二部分1304的最内部锥体1316之间延伸穿过间隙。

图13所示的锥体1306、1316具有不同的直径和相同的夹角。锥体1306、1316被安排成从第一外端1314和第二外端1324处的最大直径到中心间隙1326处的最小直径，这样使得较小直径锥体1306、1316嵌套在较大直径锥体1306、1316内。

通过利用具有锥体1306、1316而不是平盘(例如像图5所示的剪切流装置500的转子506中的盘526)的转子1300，流体可以在不利用平盘中的孔的情况下轴向地流过间隙1308、1318。例如，对于流体在转子506的盘526之间的轴向流动，流体穿过孔604。穿过孔导致湍流漩涡，这可能降低转子的总效率。通过利用锥体1306、1316，不利用孔来促进流体的轴向流动并且提高了效率。

此外，锥体1306、1316的夹角可以变化，以便控制在锥体1306、1316上流动的流体的径向速度。控制流体流动的径向速度可以用于减少径向流体剪切力引起的径向流动摩擦效率损失，这导致产生热量的阻力。

在锥体1306、1316包括相同的夹角的转子1300中，从流过间隙1308、1318的流体的径向速度分量来“看”的径向横截面随着流体向外流动而增加。

径向横截面面积是指给定半径处的圆柱面面积。圆柱面面积是锥体或盘之间的距离(在特定半径R处)乘以2πR。如果所希望的是要减小随着轴与周边之间的半径R而变的圆柱面面积，则必须减小作为半径R的函数的盘(或锥体)之间的距离。一种实现更为均匀的径向横截面表面的方式是形成具有多个锥体的转子，所述多个锥体具有不同夹角和不同直径。替代性地，可以利用与图10A所示的内容类似的、由多个直径盘制成的硬毛刷转子以提供更为均匀的径向横截面面积。替代性地，锥体1306、1316可以由多孔材料制成或利用孔、或者由包括孔的多孔材料制成。孔隙和孔有助于流体更容易地从一个间隙1308、1318流过锥体1308、1316以到达下一个间隙1308、1318。在这种替代方案中，由于锥形形状，通过孔隙和孔的轴向和径向流动仍然可以以减少的湍流漩涡和更高的效率来实现。所有这些替代性布置可以用于填充外锥体之间的间隙，以实现层流剪切流扭矩传递，同时实现更为均匀的径向横截面面积，这样使得径向向外流动的流体的径向速度分量减小。

现在参考图14，示出了示例性转子1400的横截面，所述示例性转子包括具有不同夹角和不同直径的锥体1402。通过包括具有不同夹角的锥体1402，从流过锥体1402之间的间隙1404的流体的径向速度分量来“看”的径向横截面面积可被控制，以在流体径向向外移动时保持从流体来“看”的更为“恒定”的径向横截面面积。与径向速度较不恒定的转子相比，更为恒定的径向横截面保持更为恒定的流体径向速度，从而提高转子的效率。

用于制造转子1300和1400的材料可以是例如钛碳化硅、钛、铝、碳化硅、其他高强度、耐蠕变航空涡轮机合金。替代性地，所利用的材料可以是适合的低成本塑料或任何其他适合的材料。

现在参考图15，示出了二级剪切流装置1500。二级剪切流装置1500类似于剪切流装置1100，其中连接器级1180被移除并且转子包括嵌套的锥体而不是盘。剪切流装置1500包括包围第一转子腔1504和第二转子腔1506的壳体1502。

第一转子1508容纳在第一转子腔1504内并且第二转子1510容纳在第二转子腔1506内。第一转子1508和第二转子1510包括多个嵌套的锥体1509、1511，所述锥体与转子1300的锥体1306类似，并且因此在此不再进一步描述。

中空的第一轴部分1512将第一转子1508连接到电机1514上。中空的第一轴部分1512包括第一轴向端口1516。实心的第二轴部分1518将第一转子1504连接到第二转子1506上。第二转子1506联接到包括第二轴向端口1522的中空的第三轴部分1520上。

壳体1502包括具有开向第一转子腔1504的多个第一收集器入口1526的第一收集器增压腔1524，每个开口具有可选的多孔膜1528。壳体1502还包括多个第一喷嘴增压腔1530，所述多个第一喷嘴增压腔具有开向第一转子腔1504的喷嘴出口(未示出)。类似地，壳体1502包括第二收集器增压腔1532、具有可选的多孔膜1536的多个第二收集器入口1534，并且喷嘴增压腔1538与第二转子腔1506相关联。收集器增压腔1524、1532，收集器入口1526、1534和喷嘴增压腔1530、1538类似于先前描述的剪切流装置500和1100的类似元件，并且因此不再进一步描述。

第一端盘1544在第二轴部分1518与第一转子1508之间联接，并且与第一转子1508间隔开以提供间隙1545。第二端盘1554在第二轴部分1518与第二转子1510之间联接，并且与第一转子间隔开以提供间隙1555。

可选地包括第一自由旋转内罩1540和第一自由旋转外罩1542以罩住第一转子。第一自由旋转内盘1546和第一自由旋转外盘1548可选地位于第一端盘1544与壳体1502之间。罩1540、1542，第一端盘1544以及第一自由旋转盘1546、1548的安装和结构与先前描述的剪切流装置1100中的这些元件的结构和安装相同，并且在此不再进一步描述。

可选的第二内罩1550、可选的第二外罩1552、第二端盘1554、可选的第二内盘1556以及可选的第二外盘1558被包括在第二转子腔1506中。第二内罩1550、可选的第二外罩1552、第二端盘1554、可选的第二内盘1556以及可选的第二外盘1558的结构和安装类似于第一转子腔1504的罩1540、1542，第一端盘1544以及第一自由旋转盘1546、1548，并且在此不再进一步描述。

如以上所指出的，转子1508、1510类似于上文所描述的转子1300。转子1508、1510以及第一端盘1544和第二端盘1554可以通过例如3D打印或铸造来由单件形成。图16A示出了通过3D打印形成的第二转子1510和第二端盘1554的实例。图16B示出了第二转子1510，所述第二转子移除了第二端帽1554，这样使得转子1510内的结构是可见的。第一转子1508和第一端帽1544与第二转子1510和第二端帽1554在结构上是相同的。

转子1510包括由间隙1602分离的多个锥体1600。如上文参考图13所论述的，锥体1600具有相同的夹角并且具有减小的直径。锥体1600通过连接器1604连接在一起(参见图16B)。

二级剪切流装置1500可以用作可逆单级压缩机和涡轮机，其中例如第一转子1508用作压缩机，并且第二转子1510用作为压缩机提供动力的涡轮机。操作中，流体进入第二喷嘴增压腔1538，并且作为高速射流离开，从而致使第二转子1510旋转，并且通过第二轴向出口1522离开，如先前所描述的。在一个实例中，可燃燃料进入第二喷嘴增压腔，所述可燃燃料与压缩空气混合。燃料-空气混合物在喷嘴增压腔中燃烧，从而生成离开喷嘴出口(未示出)并且使第二转子1510旋转的高温排气射流。

第二转子1510的旋转致使第一转子1508旋转。有待泵送的流体通过第一轴向端口1516进入并且行进到第一转子1508中。由于第一转子1508的旋转引起的粘性剪切，流体径向向外地行进通过锥体1600中的间隙1602。高压流体被收集在第一收集器增压腔1524中，如先前所描述的。

类似地，先前参考图11至图14描述的多级剪切流装置1100也可以用作单级压缩机和涡轮机，其中第一级1102例如用作压缩机，并且第二级1140用作为压缩机提供动力的涡轮机。

在另一个实例中，二级剪切流装置1500可以用作二级泵或压缩机。在这个实例中，第一收集器增压室1524的收集器出口(未示出)连接到第二轴向端口1522上。电机1514使第一轴部分1512旋转，从而致使第一转子1508和第二转子1510旋转。流体进入第一轴向端口1516、穿过第一转子1508、并被收集在第一收集器增压腔1524处。来自第一收集器增压腔1524的流体然后通过第二轴向端口1522进入第二转子腔，并且被第二转子1510进一步压缩并被收集在第二收集器增压腔1532中。

在另一个实例中，二级流装置1500可以用作二级涡轮机。在这个实例中，电机1514可以用发电机代替，并且第一轴向端口1516连接到第二喷嘴增压腔1538的入口(未示出)上。流体进入第一喷嘴增压腔1530并且作为高压射流离开，所述高压射流使第一转子1510旋转，如先前所描述的。流体穿过第一转子1508并通过第一轴向端口1516离开。流体从第一轴向端口1516进入第二喷嘴增压腔1538并且作为高压射流离开，从而致使第二转子1510旋转。流体穿过第二转子1510并且通过第二轴向端口离开。

在前面的描述中，出于解释的目的，阐述了许多细节以便提供对实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言明显的是，不需要这些特定的细节。

以上描述的实施例仅意图为实例。本领域技术人员可以对具体实施例进行更改、修改和改变。权利要求的范围不应当受到本文所阐述的具体实施例的限制，而是应当以与整个说明书相符的方式进行解释。

Claims (19)

1.一种剪切流涡轮机械装置，包括：

壳体，所述壳体具有限定空腔的壳体壁；

轴，所述轴穿过所述空腔的端部处的、所述壳体壁中的轴开口延伸到所述空腔中；

转子，所述转子在所述空腔内联接到所述轴上，所述转子具有从所述转子的中心轴线径向向外延伸的多个盘，所述盘具有在相邻的盘之间形成间隙的间隔布置；以及

第一罩，所述第一罩用于罩住所述转子，所述第一罩包括：

第一对端盘，所述第一对端盘联接到所述转子的相反端上；

第一围板，所述第一围板在所述第一对端盘的外边缘之间延伸，所述第一围板围绕所述转子在所述转子与所述壳体壁之间延伸；

其中，当所述空腔充满流体并且所述轴和多个盘旋转时，所述第一罩是独立于所述转子的旋转而可自由地旋转的，以便减小由于所述壳体壁而产生的所述盘上的阻力。

2.如权利要求1所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述壳体壁限定锥形空腔，并且多个所述盘被安排成使得所述盘的直径随着距转子的第一端的距离增加而增加，这样使得所述转子具有与所述锥形空腔的锥形形状大致匹配的锥形形状。

3.如权利要求1所述的剪切流涡轮机械装置，包括第二罩，所述第二罩包括第二围板，所述第二围板围绕所述第一罩在所述第一围板与所述壳体壁之间延伸。

4.如权利要求3所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述第二罩是固定罩。

5.如权利要求3所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述第二罩包括第二对端盘，所述第二对端盘联接到所述转子的相反端上、位于所述壳体壁与所述第一对端盘中的对应一个之间，并且其中：

所述第二围板在所述第二对端盘的外边缘之间延伸；并且

当所述空腔充满流体并且所述轴和多个所述盘旋转时，所述第二罩是独立于所述转子的旋转和所述第一罩的旋转而可自由地旋转的。

6.如权利要求5所述的剪切流涡轮机械装置，包括第三罩，所述第三罩包括第三围板，所述第三围板围绕所述第二罩在所述第二围板与所述壳体壁之间延伸，其中，所述第三罩是固定罩。

7.如权利要求5所述的剪切流涡轮机械装置，进一步包括：

第一对轴承，所述第一对轴承中的每一个位于所述第二罩的所述第二对端盘中的对应一个与所述壳体壁之间；以及

第二对轴承，所述第二对轴承中的每一个位于所述第二罩的所述第二对端盘中的对应一个与所述第一罩的所述第一对端盘中的对应一个之间。

8.如权利要求7所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述第一对轴承中的每一个位于由所述第二对端盘和所述壳体壁中的相应凹口形成的对应的第一空腔内，并且所述第二对轴承中的每一个位于由所述第二对端盘和所述第一对端盘中的相应凹口形成的对应的第二空腔内。

9.如权利要求7所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述第一对轴承和所述第二对轴承是电动同极悬浮轴承。

10.如权利要求7所述的剪切流涡轮机械装置，进一步包括第三对轴承，所述第三对轴承中的每一个位于所述第一对端盘中的对应一个与所述转子之间，这样使得所述第三对轴承在所述壳体内支撑所述转子和所述轴。

11.如权利要求1所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述转子的多个所述盘中的每一个的表面通过从所述表面延伸的凸出部或通过包括刷毛的所述盘被粗糙化以增加盘与相邻盘之间的间隙中的流体之间的阻力。

12.如权利要求11所述的剪切流涡轮机械装置，其中，多个所述盘中的每一个的表面被粗糙化有多个凸出部，所述多个凸出部从每个盘的表面延伸到与相邻盘的间隙中。

13.如权利要求12所述的剪切流涡轮机械装置，其中，从每个盘的表面延伸的所述多个凸出部中的至少一部分桥接与相邻盘的间隙。

14.如权利要求12所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述多个凸出部从每个盘的表面延伸出不同高度。

15.如权利要求12所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述多个凸出部通过在安装到所述转子中之前冲压多个所述盘来形成，以便在所述盘的第一表面上形成凸出部并且在所述盘的第二表面上形成相应的凹陷。

16.如权利要求15所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述转子的第一盘的凸出部不与所述转子的第二相邻盘的凹陷对齐。

17.如权利要求1所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述第一围板是由金属丝网和织物片中的一者形成的多孔膜。

18.如权利要求1所述的剪切流涡轮机械装置，进一步包括一个或多个喷嘴，所述喷嘴用于将流体射流从喷嘴出口切向地施加到多个所述盘以引起所述转子的旋转，每个喷嘴具有经由增压室与所述喷嘴出口处于流体连通的喷嘴入口。

19.如权利要求1所述的剪切流涡轮机械装置，其中，所述壳体包括流体出口，所述流体出口具有用于调节所述空腔内的压力的流量调节器。

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