CN108368819B - 引力涡流水轮机组件 - Google Patents

Abstract

引力涡流水轮机组件(1)中，水轮机(100)被置放在水箱(40)底部(70)之下，漩涡(20)在此被导流。优选的实施例为，水箱包含螺旋状侧壁，且水轮机转子的叶片按规格应该吸收漩涡(20)水流(10)的切向、轴向和径向的分量。

Description

引力涡流水轮机组件

发明领域

这一水轮机的发明将水流的动能和势能转化为机械力，最终通过发电机发电。具体是指通过引力涡流水轮机组件，利用水流在重力作用下形成的涡旋来转换能量。

最新技术

类似的引力涡流水轮机组件也见于WO2004/061295。这一涡流水轮机组件包括一个长方形四壁水箱，其中一面壁上开有入水口。水箱的水平底部开有圆形的中央出水口，以在重力影响下引导稳定的涡流。水力涡轮和漩涡同轴地安装在水箱里。水轮机包含一个带有垂直叶片的转子。漩涡水流的切向分量作用于这些叶片，使其旋转。漩涡的水流继续以环状流动，轴向朝下流经涡轮的转子。水轮机可以和发电机配套发电。

当水流落差很小，其他一些水轮机无法高效运转时，这种引力涡流水轮机组件就可以发挥作用。它能够利用重力作用下涡流所累积的能量，所以对水流的动能和/或势能的依赖较小。

还有类似的引力涡流水轮机组件也见于WO2015/017881。为了有效促进涡流的形成，这个水轮机组件包含一个圆柱形的箱体，可以和带有螺旋翅片的侧壁配套。此外，侧壁开有入水管道和入水口，可以在侧壁附近大量切向供应水流，从而更有效地促进漩涡的形成。

还有一些水力涡轮组件见于US4076448，US5921745，US2015/233340，AT412363B，CH699133B1，US2013/022456。这其中的大部分涡轮系统都是利用中间导向叶片，沿上游和/或下游方向延续水箱上的入水口。这些中间导向叶片增加了粘滞损失，因此降低了水轮机的效率，也使水轮机组件抗杂物的强度和鱼类通过率减损。

发明概要

这一发明的第一个方面为引力涡流水轮机组件，包括：

-一个螺旋状的涡轮水箱，用以导流重力作用下的水流漩涡。具有垂直中轴。涡轮水箱的侧壁上开有切向入水口供水流入漩涡，底部开有中央出水口供水流出。

-一个水轮机，被置放在水箱之下，和涡流的中轴同轴，包含水轮机防护罩，同中央出水口和水轮机转子相配套。同时水轮机转子包括中心轮毂和叶片，关于叶片：

上游端比下游端相对于中轴的角度较小；

径向内端比径向外端相对于中轴所在的平面的角度较大；

径向内端比径向外端相对于垂直于中轴的平面的角度较小。

这样水轮机叶片就可以吸收漩涡水流的切向、轴向和径向的分量。

中央出水口处于螺旋状涡轮水箱的正中点位置。出水口包括的大致为圆形切面的中心点和螺旋状涡轮水箱的中心点以及涡流的中轴基本对应。按此设计，水箱中形成的涡流会被更有效地利用，因而提高流入涡轮的最大水流速。由于水轮机被置放于水箱底部而非之内，水箱内涡流的形成会持续不断，免受水轮机的干扰，而且涡流还能被用来增加水轮机之上的高度。转子被装在此处，就能充分利用切向、轴向和径向的速度。

接下来还会进一步解释，这意味着，在水轮机组件使用扩散器的一些实施例中，水轮机转子被装在水箱和扩散器之间过渡的水轮机防护罩中。显而易见，入水开口位于水箱螺旋状侧壁几何级数的宽阔端。此外，水箱的螺旋外形保证了箱内更有效稳定地形成涡流。为有效地促进涡流的生成，引力涡流水轮机组件可带有一个形状基本与阿基米德螺线或对数螺线相吻合的水箱，比如斐波那契螺旋或伯努利螺旋。螺旋的中心点应该位于水箱底部出水口的附近。优选的实施例为，水箱的侧壁基本处于垂直，便于生产。靠近水箱底部的侧壁应圆角接入底部，这样可以较好地传导液流，并且如果使用模具生产水箱，也容易脱模。

如此，引力涡流水轮机在落差小的情况下，就已经可以充分利用涡流形成统一的液流，以高效转换能量。这样，同其他的水轮机组件相比，更大量、更慢速旋转的液流逐渐累积到涡流的中心，流向出水口。涡轮安装于出水口之下的位置，以及相伴发生的水流加速也让使用更小的涡轮转子成为可能。此外，这一原理也将涡轮转子的转速大幅提高，从而可以降低发电机的预算。而这一切并不会对生态环境造成损害，因为漩涡水流、水流中杂物和生物以及涡轮转子的相对速度差是有限的。它们都是围绕涡流中心点同步旋转。

显然，这一涡流水轮机和之前同一领域组件的区别在于：它包含的水轮机不是单纯的冲击式水轮机或返唤水轮机，而是一个能够利用上述涡流的所有分力，以及入水口和出水口之间压力差的水轮机。这样，可以减小水轮机组件的尺寸，在预先确定的水流落差下提高更大流速的效率，从而在确定额定功率的情况下，可以降低安装成本和复杂性。当涡流水轮机组件在流速和水流落差之间的相对比率较大的地址发挥作用时，这一优点尤其明显。而且，这一涡流水轮机组件的潜在能量更大。叶轮轮毂的尺寸可确保叶轮高度下的压力下降，而从压力差获取能量增益。因此，在这种自由的出水口位于下游水位之下的环境中，水轮机运转良好。此外，叶轮的设计使得水流和水压可以通过叶轮精准的速度来输送，以达到能源生产最大化。下游水位之下的出水口增加了水流的积聚和水轮机的压力差，所以有助于减小水轮机转子的尺寸。

根据一个实施例，水轮机组件包含或者配套一个发电机来发电。水轮机被用来机械驱动各种装置的其他实施例也有可能，比如被用来机械驱动污水净化厂。

根据一个实施例，水轮机组件的侧壁顺水流环绕中轴从一侧直到入水口的另一侧延展。因为是顺水流方向，侧壁和中轴之间的距离就从一侧附近的最大半径减小到另一侧附近的最小半径。

这种水箱侧壁确保了引力涡流水轮机组件效率的提高，因为它可以比类似圆筒状侧壁的水箱更有效地导流涡旋。显然，螺旋状侧壁基本环绕中轴延展，比如按照330°到390°的角。为了帮助解释这一特征，侧壁顺水流环绕中轴延展也可以理解为比如：侧壁围绕中轴展开。

根据一些实施例，侧壁和中轴之间距离的缩短可能是持续的。然而，其他实施例中更微小的缩短也是可能的，比如，由于侧壁的复数间隔造成的距离缩短。举个例子，按照30°到180°的其中一个角度（例如90°）绕中轴延展的侧壁的间隔，其中的每一个间隔都包含有预定的持续转弯半径的一个部分。这就意味着，侧壁会有2、3、4、5……个间隔，每一个间隔含有一个预定的持续转弯半径。接续的下游间隔的持续转弯半径比之前上游的间隔要小。显然，每个侧壁间隔所包含的基本持续的转弯半径是可能变化的，预定容差率为平均中值2%到15%。当和侧壁包含复数闭合片段的一个实施例结合时，这些实施例的优势尤为明显。每个闭合片段包含各自的预定转弯半径，装配时，侧壁接续的下游片段包含一个相应的预定持续转弯半径，比之前上游的侧壁片段要小。这种包含上述间隔和/或片段的侧壁，当和任何合适的引力涡流水轮机组件装配在一起，基本都会发挥作用。这种水轮机组件应当含有螺旋状涡流水箱，用以在重力作用下导入水流漩涡，具备基本垂直的中轴，涡流水箱的侧壁有切向入水口引入水流，底部有中央出水口以让漩涡的水流出。这就意味着，水轮机中转子组件的具体配置和定位不会影响整个水轮机的运转，因此也给生产和运输水轮机组件的侧壁带来了极大的优势。

根据另一个实施例，水轮机组件的最小半径在最大半径的50%到85%之间。

这一螺旋状水箱侧壁尺寸的减小确保了水流通过入水口以最优方式流入漩涡。因此，在优选的实施例中，到来的水流通过侧壁上的入水口，基本切向流入螺旋状水箱。也就是说，水流顺着水箱壁的内侧，以沿平面0°到20°的角度流动。

根据另一个实施例，水轮机组件中，水箱侧壁到最大和最小半径之间中轴的距离的轨迹遵循：

对数螺线；或者

阿基米德螺线。

对数螺线可以按照斐波那契螺旋或伯努利螺旋这样的螺旋来构建。其他的实施例也可以，比如包含逐渐减小的圆弧半径的复数时序弧。

该形状提高了水流过水轮机组件的最大流速和漩涡导流的效率。此外，该形状也使得侧壁形状的规格塑造简易化，因为侧壁形状几乎等同于数学定义过的简单螺旋形状。除了水箱的外形，叶轮和轮毂的设计也起了作用。

根据另一个实施例，水轮机组件的水箱侧壁包含复数片段。根据其他实施例，这些片段包括不同的直径，如下列详细描述。

片段的使用使得水箱更易运输，到达地址后，预制的水箱外廓可以就地安装。这样可以确保水箱的外形更精确，让安装更高效。水箱的外形在安装之前会被确定。这样，侧壁的外形在随后的安装中可以根据特定的水流参数比如流速、落差等进行调整。而这些河流的参数常会变化。

根据另一个实施例，水轮机组件中水箱底部的中央出水口的半径小于等于侧壁的最小半径。水轮机转子附近防护罩的内径范围在侧壁最大半径的20%到45%。

如此，出水口附近具备最大角速度的一段涡流被加大，来到与之相连接的水轮机里。沿着涡流的半径由外向内，涡流速度会先指数级增长，达到最大速度后，会在中轴附近涡流的绝对中心点处线性下降到零。或者，涡流包含一块核心区，区内水流的角速度随着离中轴的距离加大而线性增长到一定的最大值，之后，在这块核心区外，角速度又随着离中轴的距离加大而减小。中央出水口和水轮机防护罩内壁这样的半径范围，使得核心区内的涡流段在水轮机转子附近达到最大量。超出核心区域的有限范围，比如最多不超过20%，是可以接受的，但是如果超出太多，就会导致水流的角速度下降，会对水轮机转子的效率产生不利影响。最优的实施例中，涡流的中心部位不被叶轮覆盖，这样这一低速部位就不会降低涡流对叶轮叶片的平均速度（下图19会具体描述）。

根据另一个实施例，水轮机防护罩的下游端包括一个引导水流流向的扩散器，含有一个跟中轴径向相反的部件。

如此，扩散器可以确保水轮机防护罩出水口附近受到水轮机内部湍流的干扰减少。此外，这种扩散器在水轮机内部产生一定的轴向背压，因此降低了空化风险。这样的径向扩散器设计也使得扩散器和水轮机在内置深度上保持小巧轻便。最后，这样的径向扩散器设计也便利了生产，因为只需生产简单的两部分，等到安装时连接成完整的扩散器就可以了。

根据另一个实施例，水轮机组件包含的扩散器将水流从最低点向上导流。

这样可以产生更高的持续轴向背压，以减低水轮机内部的空化和湍流干扰的风险。此外，这样的实施例也可以降低此种风险：即使当水轮机组件的出水口位于水平面以上，气流和水流混合在一起从出水口溢出，导致水轮机的效率降低。

根据另一个实施例，水轮机组件中的水轮机被放置在水平面之下的下游端。

如此，水轮机附近的水压得到控制，气流不会混入出口的水流。

根据另一个实施例，水轮机组件的转子包含一个中央轮毂和与之相连的转子叶片，包括2到10片。

有限的转子叶片和叶片之间相应的较大距离，确保了水轮机可以让水生物通过，也不易受到污垢、淤塞的影响。在优选的实施例下，水轮机转子也以相对低速旋转，比如，每分钟300转或更慢，每分钟100转或更慢。

根据另一个实施例，水轮机组件的转子叶片可以吸收涡旋水流的切向、轴向和径向的分量。此外，水轮机入水口和出水口之间产生了压力差，使得水流中可利用的能量增加。

显然，水轮机转子的叶片是安装在可旋转的中央轮毂上的，而中央轮毂是和漩涡中轴同轴安装的。这就意味着，转子轮毂的旋转轴基本和漩涡的中央轴重合。水轮机转子的旋转轴基本垂直。

其他引力涡流水轮机组件中的转子位于水箱内，利用垂直的转子叶片。如此，叶片只利用涡旋水流的切向分量。涡流的轴向和径向分量不参与作用，以减小水箱内部的涡流被妨碍的风险。而在这个实施例中，水轮机被置放在水箱底部的出水口之下，使得水轮机附近的漩涡水流的各向分量都得到利用，避免了涡流在水箱内受到妨碍的风险。这样一来，水轮机转子对水流能源的利用效率就大大提高。

根据另一个实施例，水轮机组件包含的转子叶片：

-上游端比下游端相对于中轴的角度较小；

-径向内端比径向外端相对于中轴所在的平面的角度较大；

-径向内端比径向外端相对于垂直于中轴的平面的角度较小。

这样水轮机叶片就可以吸收涡旋水流的切向、轴向和径向的分量。

根据另一个实施例，水轮机组件中，逆流端跟中轴相对的角度范围处于0°到45°，下游端跟中轴相对的角度范围处于45°到80°。

在优选的实施例中，当转子以配合发电机的最优负荷速度旋转时，这些角度基本处于水流速度矢量的切向、径向和轴向角度的横向，以便形成水流对水轮机叶片冲击的最佳效果。

根据另一个实施例，水轮机的最大半径范围为1.5米到10米。水箱底部出水口和水轮机防护罩的最大半径在优选实例中的范围为0.5米到3米。

这样一个水轮机组件小巧轻便，安装时不用在现存水道之中、旁边或附近大动土木。

根据另一个实施例，水轮机组件还包括：

-一台跟水轮机配套或安装在水轮机上的发电机；

-一套和发电机配套的控制单元，用来调控旋转速度和发电机负荷，与水轮机运行中的转子配合，以达到最大功率点跟踪控制。

如此，通过发电机的控制单元来优化水轮机转子的转速和负荷，可以最大化水轮机组件产生的电力。

根据另一个实施例，水轮机组件还包括：

-一台跟水轮机配套或安装在水轮机上的发电机；

-一套和发电机配套的控制单元，用来调控旋转速度和发电机负荷，与水轮机运行中的转子配合，以使水轮机叶片和漩涡水流两者相对的最大速率差不超过预定的最大值。

如此，水轮机组件对环境影响最小化，可让水生物自由通过，而不必另外提供防护措施，比如设法防止鱼类游入水轮机，或者设法帮助鱼类通过水轮机。

根据另一个实施例，水轮机组件中：

水轮机转子的中央轮毂的半径大于预定的最小半径，最小半径是指：

-水轮机转子和/或转子防护罩的半径的一个百分比，在至少10%的范围内，比如取15%到50%的范围，或20%到30%的范围；

-强制的涡流区域的半径的一个百分比，在10%到65%的范围内，比如取15%到50%的范围；

-转子的叶片覆盖涡流中轴四周的环形区域，这一区域不超过涡流核心区域的25%，优选实施例中不超过20%。

水轮机组件还包含一个出水口，位于水面之下，顺流/下游方向。

水轮机防护罩的半径小于中央出水口的最大半径，在优选实例中，水轮机防护罩和中央出水口之间的过渡应为弯曲连接，比如圆锥形或双曲线形过渡到直端。

水轮机转子包含和叶片相配套的径向朝外的圆筒状护罩。转子旋转时，护罩和转子的叶片同轴旋转。

在另一个实施例中，水轮机组件中：

-侧壁上入水口210的第二侧包含一个可移动部分，可以调节入水口的第二侧和水轮机转子的中轴之间的距离。以便调整转子中轴和漩涡中轴的吻合率，优选实例中提高两者的一致率。

-入水口内或上游处没有放置中间导向叶片

如此一些优选例可以提高转子中轴和漩涡中轴的吻合率和稳定度，从而提高转子的效率，减少水轮机组件各部件的磨损和老化。进一步提高了流速，降低了水箱中自由涡流的粘滞损失，参见图17和图18本领域之前解决方案的对比。图17中的泰勒旋涡21的水流比图18中出水口和防护罩之间没有圆锥过渡的方案导致的粘滞损失要小。这样的护罩加大了转子的强度，减少了因振动而造成的不必要的损失，提高了水轮机组件的效率。

根据发明的第二方面，水轮机组件中转子的制造方式是根据发明的第一方面得出的，包括以下步骤：

-在水轮机组件的基础上模拟漩涡

-水轮机附近涡流的轴向、切向和径向分量的测定

-根据涡流的轴向、切向和径向分量而自动生成转子叶片的形状，从而产生转子叶片附近的最小边界分隔层

-通过增材制造比如3D打印来生产特定形状的转子叶片

这一制造方式可以高效生产最优水轮机转子。

根据发明的第三方面，控制水轮机组件的装置和方式是基于发明的第一方面，同发电机和控制单元相配套。发电机可能通过一根轴或其他合适的机械联轴器同水轮机的转子相连。或者，发电机也可以和水轮机成为一体，比如，发电机的转子装在水轮机的转子上，发电机的定子装在水轮机的防护罩上。这种配套的发电机控制单元在最优实施例中，利用电子控制的最大功率点跟踪控制的算法，可以对发电机以及水轮机转子施加可变负荷。通过改变负荷和转子的转速，水流对转子的碰撞速度可以得到控制。还可以为虚拟的水轮机转子上固定的叶片设定可变的角度。

这样可以通过水轮机组件进一步提高发电效率。在最优实施例中，发电机被装入轮毂，轮毂相应更大的直径使得涡流中央慢速部分的使用被减少，从而提高效率。在最优实施例中，发电机为低速旋转发电机。或者，发电机也可以包含或配套于合适的变速器。

根据发明的第四方面，发明前三个方面的一些实施例也可以被宽泛地应用于水轮机组件不同的实施例。根据发明的第四方面，引力涡流水轮机组件包括：

-利用重力作用导流漩涡的螺旋状涡流水箱，中轴基本垂直，水箱侧壁有切向入水口以供水流进入涡旋，底部有中央出水口供涡流的水流出。在优选实施例中，还包括：

-最好置于水箱之下的水轮机，和漩涡的中轴同轴，包含水轮机防护罩，和中央出水口及转子相配套。

示意图简述

为了举例说明，发明的一些实施例将通过示意图来作描述：

图1 – 整体显示了引力涡流水轮机组件的一个实施例的部分横截面的透视图；

图2 – 整体显示了图1的俯视图；

图3 – 整体显示了图1的透视图；

图4 – 整体显示了图1部分横截面的侧视图；

图5到图7 – 分别整体显示了水轮机组件中转子的一个实施例的俯视图、侧视图和透视图；

图8和图9 – 分别整体显示了水轮机转子的另外一个实施例的侧视图和俯视图；

图10 – 整体显示了水轮机组件在水道中或附近的安装情况；

图11 – 整体显示了图1到图4水轮机组件实施例中的水流和漩涡的轨迹；

图12和13 – 分别显示了另一个水轮机组件实施例的整体侧视图和横截面的侧视图；

图14和15 – 整体显示了发明的各个实施例同已知水轮机组件在效率和电力方面的比较；

图15B到22 – 进一步显示了引力涡流水轮机组件的澄清例和/或实施例。

示意图详述

图1到图4根据当前发明的第一个实施例，整体显示了引力涡流的水轮机组件1。水流10通过入水口210进入水轮机组件1。在优选实施例中，该入水口应尽量靠近上游方向，从而尽可能让大量的水从入水口210流入组件1。然后入水口210将水流10导入流入开口60，此处是入水口210和螺旋状涡流水箱40的过渡处。在水箱40里，涡流20被引导围绕垂直中轴22旋转。

螺旋状涡流水箱40的竖直侧壁50起始于流入开口60附近的入水口210的外侧/第一侧62。从62这一侧，侧壁继续延伸环绕中轴22直到流入开口60附近的入水口210的内侧/第二侧64。为了优化涡流20的形成，螺旋侧壁50在优选实例中沿中轴22以330°到390°环绕延伸。

外侧62 以及流入开口60在优选实例中切向连接侧壁50。结果，经侧壁附近的流入开口60流入的水流10，会基本切向地流入螺旋状的水箱40。换言之，流入开口60附近的水流10会沿着侧壁50的内壁流动。为了达到这个效果，外侧62的平面和流入开口60附近的侧壁50内侧的平面之间的角度应在0°到20°。

由于其螺旋的形状，以及侧壁与入水口210的外侧62、内侧64和流入开口60的连接，涡旋22的中轴22和侧壁50之间的距离会逐渐减小。换言之，侧壁50沿下游方向的曲线半径逐渐减小。靠近外侧62处或0°时，半径42会达到最大值。在这之后，半径会逐渐减小至90°的半径44、270°的半径46，以及最后在流入开口60附近的内侧64的360°的半径48。最大半径42和最小半径48之间的比率决定了流入开口60相对水箱40的尺寸。这一比率对组件1的整体效率尤为重要，因此在优选实例中，最小半径48应处于最大半径42的50%到85%的范围。

此外，侧壁50呈螺旋形。在优选实例中，这是一个对数螺旋或阿基米德螺旋。如此，当侧壁的形状容易规划，被导流的涡旋20的效率就会提高。

侧壁50可以是一整片或者由复数片段构成。考虑到水流10的特定参数，比如流速和落差等，这就使得侧壁50的弯曲轨道在组件1建造之中或之后可以改变。

水箱40包含流出开口80以供漩涡20的水流10流出。这一开口80呈圆形，位于水箱40的底部70处。由此，开口的中心点和中轴22重合。开口80的半径82小于最小半径48。

水轮机100配于开口80之下，和水箱底部70相连。水轮机100还包括防护罩110将水流10朝下引导。防护罩110圆形的横截面可能随防护罩高度而改变。防护罩110顶端的圆形横切面半径和流出开口80的横截面半径82相对应。防护罩110的中轴和中轴22对应。水轮机100也包含转子120，和安装在防护罩110中的中轴22同轴。转子120包括附有转子叶片124的中央轮毂122。水流10被导进开口80，并继续沿着转子叶片124流经水轮机防护罩。由于切向运动，涡流20会作用于转子叶片124，沿着转子120旋转，做朝下/轴向运动以及径向运动。中央轮毂122可旋转地安装在水轮机上，与涡流20的中轴22同轴。这意味着，转子轮毂的旋转轴22基本与漩涡20的中轴22相吻合。水轮机转子的旋转轴基本垂直。

在转子叶片124附近，水轮机防护罩水平横截面的内径112最好处于最大半径42的20%到45%之间。如此，涡流20在流出开口80以及与之相连的水轮机100附近的部分达到最大角速度，流量增加。此涡流包括一块核心区域，其水流10的角速度随着到中轴22的距离增加而线性增长到预定的最大值。之后，在这块核心区域之外，角速度又随着到中轴22的距离增加而减小。中央出水口的半径82和防护罩110内壁的连接半径112 这样的范围，就使得转子120附近的漩涡20的核心区域部分得以最大化。有限地超出核心区域比如最大20%也是可取的，但是如果超出太多会导致水流10的角速度下降，以致于水轮机转子120的效率受到负面影响。

组件1还包含下游扩散器130。扩散器位于转子叶片124之下，可以引导水流10径向流离中轴22，流向排水区220。水轮机100和扩散器130完全被排水区220所环绕。排水区220包含转子120下端的底部140。排水区220的顶部141位于开口80和水箱40的底部70的下端。因此，水流10在离开扩散器130后，可以上升回流至出口80的同一平面。排水区220还包括输出口142，因为排水区220有一面侧壁，另一面开口。输出口142位于下游端，也就是位于入水口210和流入开口60的对侧。

如果没有扩散器130，水流10容易以湍流形式离开水轮机100。而这一湍流在转子叶片124附近就可能形成，并扰乱水轮机100内部的水流。有了扩散器，水流首先被以非湍流的形式引导出水轮机，从而最小化机内湍流的风险。此外，扩散器130在水轮机内创造了轴向反压，降低了空化的几率，从而减小了水轮机100遭到损害的风险。

图11根据上述实施例显示了水流10在组件1中的流动。水流10通过入水口210进入组件1的水箱40。水流10被引入螺旋状水箱形成漩涡20。在水箱底部，水流进入水轮机100，水流速度相对于转子的轴向、径向和切向的分量促进转子旋转。水流10流过转子，到达组件底部，然后被横向导入扩散器，流向排水区220，并从此处流出。

根据当前发明的第一个实施例，图5到图7分别整体显示了水轮机组件1中转子120的俯视图、侧视图和透视图。根据当前发明的第二个实施例，图8和图9分别整体显示了水轮机组件1中转子120的侧视图和俯视图。下面就来详细解释这两个实施例。

转子120包含一个位于水轮机防护罩中、沿着中轴22旋转安装的中央轮毂122。轮毂122之上装有五片转子叶片124。转子叶片的数量不限于五片，但最优实施例中应含有两到十片。通过限制叶片数量，叶片124之间得以留出足够大的距离129。这样，如果鱼类比距离129的宽度小就可以游过转子，从而实现水轮机的无害水生物性能。此外，水轮机对污染和淤塞的干扰抵御力也因此增强。如果水轮机转子120以相对低速比如300转甚至100转每分钟的速度旋转，这些效果还会更明显。

转子叶片124被安装于转子轮毂122之上，以便于吸收漩涡20中水流10的切向、轴向和径向的分量，也就是说，转子120转动时会经历这些分量作用的转矩。这些分量的方向标示在图5到图7中，T代表切向分量，R代表径向分量，A代表轴向分量。已知的一些引力涡流水轮机组件中，转子被安装在水箱之内，以利用垂直的转子叶片。如此，转子叶片只能捕捉涡旋水流的切向分量。在这些组件系统中，漩涡水流的轴向和径向分量不受利用，以最小化水箱中涡流被干扰的风险。而在这个实施例中，水轮机被置放在水箱底部的出水开口之下，得以捕捉水轮机附近漩涡水流的所有分量，不会产生水箱中涡流被干扰的风险。这样就使得从流经转子的水流中转换能量更加高效。

转子叶片124包含上游端/侧126，也就是叶片的上端，因为运转时，上端或上游端126首先与漩涡20中的水流10产生接触。在图6中完整显示了水流10对于转子叶片的相对运动。水流10沿着叶片124底部的下游端128端（低端/侧）离开叶片124。这两端的位置决定转子120转动时产生的水流轴向速率分量的能量被转换的程度。126和128端所安装的位置，由各自端的切面和中轴22之间所成的最小角度126A和128A所决定。为了轴向速率分量的最优转换，上游端/侧126的角度126A最好小于下游端128的角度128A。优选实例中，角度被进一步选定，以便在转子名义上的旋转速度下，水流10的轴向速率分量可以最优作用于转子叶片124。比如，当上游端126的角度126A处于0°到45°之间，且下游端128的角度128A处于45°到80°之间。

转子叶片124的位置和形状还由125A和127A的角度决定。角度125A是指转子叶片124的径向内端125的垂直切面和穿过中轴22和径向内端125的平面之间的角度。这一径向内端就是转子叶片附着在中央轮毂22的位置。角度127A则是指转子叶片124的径向外端127的垂直切面和穿过中轴22和径向内外127的平面之间的角度。在优选实例中，角度125A大于角度127A，以便达到水流10作用于水轮机叶片的最优效果。换言之，径向内端125相对于中轴22所在的平面的角度125A大于径向外端127处的角度。

最后，转子叶片124的位置和形状还由125B和125C的角度决定。角度125B是指转子叶片124的径向内端125和垂直中轴22并穿过径向内端125的平面之间的角度。角度125C则是指转子叶片124的径向外端127和垂直中轴22并穿过径向外端127的平面之间的角度。在优选实例中，角度125C大于角度125B，以便达到水流10作用于水轮机叶片的最优效果。换言之，径向内端125相对于垂直中轴22的平面的角度125B大于径向外端127处的角度。

根据发明的一个实施例，以下方法可能应用于水轮机转子120。第一步，在组件1中涡流20被模拟出来。在此模拟中，转子120还没出现，以便涡流20可以自由流经水轮机。图11中显示了这一模拟效果图。转子只是被直观地显示出来，但是不和水流10互动。下一步中，转子叶片124附近的涡流20的轴向、径向和切向分量被定义。接着，基于这些分量，转子叶片被生成，从而产生叶片附近水流10最小的边界层分隔。由于所有必需参数为已知，转子叶片的形状可以完全自动生成。最后是生产叶片，可以通过增料生产技术比如3D打印来高效实现。通过上述步骤，水轮机转子120可以被高效地度量和生产出来。

根据图1到图4的实施例，图12和图13分别显示了水轮机组件的另外一个实施例的侧视图和横截面的侧视图。入水口210、水箱40和水轮机100以同种方式建造。扩散器330和出水区320有所改变。扩散器330的设计便于水流10被先径向导离转子120，再从最低位径向上推往出水区320。因此，出水区320的底部340比水流10流过转子120的位置要高。由于水流10要被向上回推，这样可以产生更高的持续轴向背压，以减低水轮机内部的空化和湍流干扰的风险。此外，这样的实施例也可以降低此种风险：即使当水轮机组件的出水口位于水平面以上，气流和水流混合在一起从出水口溢出，导致水轮机100的效率降低。

图10整体地直观显示了水轮机组件1在水道2之中或附近的安装。第一种可选安装为，组件1被置于河道2中。入水口210朝向上游方向，以便水流10可以流入水箱形成涡流。出水口220或320位于水平面以下，朝向下游方向，以便水流10随着河道2的水流出出水口220或320。根据另一个实施例，水轮机组件中的水轮机位于水平面以下的下游端。如此，水轮机100附近的水流10的压力得以保存，避免了气流混入水流从而降低系统效率的风险。这一实施例的优势是安装起来相对简易，无需大量土方工程。这足以在河道2中提供足够的地基以锚固水轮机组件。

第二种可选安装为，水轮机组件被嵌入在水道2的岸边。为了将水流10向上导入入水口210，水道2的一部分被人工分叉引入入水口210。水箱40在地面上被组装，而水轮机100嵌在地下。继续组装组件以便出水口220或320进入下游处排进水道2。同样的，出水口220或320最好被安置在水道2的水平面以下。这一实施例比第一个需要更多土方工程和空间，但是优势在于，不受水道2的外力影响。因此，组件1在尺寸的精准上要求稍低。

第一个实施例安装组件的优势在图1到图4中有所显示：出水口220的底部140是平的。因此就有足够平整的基础来安放组件。当组件1需要安装在水道中时，这点优势尤为明显，因为在水下提供一处凹陷来安放扩散器330比安放平底140要复杂。

根据另一个实施例，最大半径42在1.5米到10米的范围内。此种水轮机组件小巧轻便，安装时不用在现存水道之中、旁边或附近大动土木。

根据图12和13，水轮机组件1的第二个实施例可以应用下列尺寸：

-水箱40以及入水区210的高度为1500mm

-入水口210的宽度为2000mm

-流入开口60的宽度为700mm, 即半径42和48之间的差别为700mm

-水箱40的最大直径为3600mm, 第一侧62沿半径42到水箱对侧的距离为3600mm

-水轮机防护罩的内径112为600mm

-转子叶片124附近的轮毂122的直径为480mm

-组件1的总高为2862mm, 即从水箱40顶部到扩散器330底部的高度

-出水口320的高度为450mm, 宽度为3000mm

如此，水流经历的总落差为500mm。这样的尺寸下，水轮机组件产生的名义上的总电力可能达到10kW或更多。为利用引力涡流水轮机组件产生这一电量，应当遵照上述的一套尺寸，尤其是水箱的大小。

图14直观显示了不同水轮机组件流速的模拟效率。流速以立方米/秒为单位。效率为百分比，在对引力涡流水轮机组件测试的实施例中，水泵产生一定流速的水流，流速由入水口控制，同水轮机转子配套的发电机产生的电力相比较。曲线401对应于图1到图4中显示的水轮机组件使用螺旋状水箱的实施例。作为比较，曲线404显示了一套具有垂直叶片水轮机转子的组件的效率。曲线402和403分别显示了由于优化的水轮机转子（参见图1到图9）的使用而相对增长的效率。

图15直观显示了水轮机组件转子120转速下的名义发电量。转速用每分钟转数（RPM）来表示，电力用千瓦（kW）来表示。曲线501同图1到图7中使用螺旋状水箱的组件1的实施例相对应。作为比较，曲线505显示了一套具有垂直叶片水轮机转子的组件所产生的电力。曲线502和503分别显示了由于优化的水轮机转子（参见图1到图9）的使用而相对增长的效率。

此外，显然上述水轮机组件的实施例可以同由控制单元控制的发电机相配套。发电机可以通过一根轴或其他合适的机械联轴器同水轮机转子相配。或者，发电机也可以装入水轮机。这样的实施例中，发电机的转子被置于水轮机的转子上，发电机的定子被置于水轮机的防护罩中。这种配套发电机的控制单元最好使用最大功率点跟踪控制（MPPT），可通过电子控制元件给发电机以及转子施加可变负荷。通过水轮机转子这种可变负荷和转速，水流对转子的冲击速度可以得到控制。水轮机转子的叶片角度也可以调整。这就使得水轮机组件发电的效率进一步提高。

水轮机组件本身及其控制单元的设计，都着力于减小水轮机运转中的叶片和漩涡水流的最大相对速度差。这可以通过控制水轮机组件，从而让运转中的叶片和漩涡水流的最大相对速度差不超过预定的最大值。这一预定的最大值可能受到生物参数影响，比如确保鱼类的存活。这一预定的最大值，可达到 0.5米/秒到5米/秒的范围，比如1米/秒。

图15和16显示了类似图1和图2的另一个实施例。这些类似的元素标准同上述实施例基本相近，但是这一实施例中的侧壁50在入水口210的第二侧64处包含一个可移动部分67，可以调节入水口210的第二侧64和水轮机转子120的中轴之间的距离48。以便调整转子120中轴和漩涡20中轴22的吻合率，在优选实例中提高两者的一致率。显然其他的实施例也是可行的，但是根据这一实施例，可移动部分67沿着中心线65的轴66转动，从而入水口210的第二侧64可以沿着箭头69所指的方向移动。可移动部分67所连接的侧壁部分68保持静止。如图所示，在优选实施例中，旋转中心线65和中央旋转轴线22保持平行。

图19详尽地显示了实施例中转子的叶片124覆盖漩涡20中轴22四周的环形区域，这一区域不超过涡流核心区域的25%，优选实施例中不超过20%。中央轮毂122的半径113和水轮机转子120的半径112，以及防护罩110的半径82 都在涡流20不同的速度区域中被显示出来。轮毂122的直径覆盖涡流的低速核心区，被水轮机叶片124覆盖的环形覆盖涡流的高速核心区，也排除了环形中出水口直径和转子120直径之间的涡流低速外围区。

图20显示了类似图5到图7中描述的另一个实施例，但是这个水轮机转子120的实施例也包含一个和转子叶片124相配套的径向朝外的圆筒状护罩127。转子120旋转时，护罩127和转子叶片124同轴旋转。图21和图22显示了转子叶片124的不同角度，都分别包含了护罩的片段127B，和径向外端相配，从而当所有转子叶片124被置放在中央轮毂122之上，各自的护罩片段127B相配形成圆柱形护罩127。这个实施例的优势在于，水轮机转子的结构坚固度增强，从而减小了运行中的振动，尤其是切向方向的振动。此外，圆柱形护罩127和水轮机防护罩110的罩壁相互作用，可以曲径式减震，封闭的水量类似液体轴承和/或阻尼加湿元素，因此提供额外的减震效果。图中还显示了优选实施例中，发电机122A被置入中央轮毂122。

毋庸置疑，上述实施例的各项组合变化也属于专利权保护范围，如下列权利要求项所述。

Claims (20)

1.引力涡流水轮机组件（1）包括：

-一个螺旋状涡流水箱（40），在重力作用下用于引导水流（10）的漩涡（20），具有基本垂直的中轴（22），涡流水箱（40）包含开有切向流入开口（60）的侧壁（50），水流（10）进入流入开口（60）从而汇入漩涡（20），水箱（40）的底部（70）开有中央出水口（80）以让漩涡（20）的水流（10）流出，

-一个水轮机（100），置于水箱（40）之下，和漩涡（20）的中轴（22）同轴，包含水轮机防护罩（110），和中央出水口（80）以及水轮机转子（120）相配套，其中，水轮机转子（120）又包括：

一个中央轮毂（122）和随附的转子叶片（124），其中，转子叶片（124）：

-上游端（126）相对于中轴（22）的角度（126A）小于下游端（128）相对于中轴（22）的角度（128A）；

-径向内端（125）在转子叶片（124）的径向内端（125）的垂直切面和穿过中轴（22）和径向内端（125）的平面之间的角度（125A）比径向外端（127）在转子叶片（124）的径向外端（127）的垂直切面和穿过中轴（22）和径向外端（127）的平面之间的角度（127A）较大；

-径向内端（125）相对于垂直于中轴（22）的平面的角度（125b）比径向外端（127）相对于垂直于中轴（22）的平面的角度较小；

这样转子叶片（124）就可以吸收漩涡（20）的水流（10）的切向、轴向和径向的分量。

2.根据权利要求项1所述的引力涡流水轮机组件（1）中，侧壁（50）从流入开口（60）的第一侧（62）直到对面的第二侧（64）沿下游方向绕中轴（22）延伸，侧壁（50）和中轴（22）之间的距离沿下游方向，从第一侧（62）附近的最大半径（42）减小到第二侧（64）附近的最小半径（48）。

3.根据权利要求项2所述的引力涡流水轮机组件（1）中，最小半径（48）应处于最大半径（42）的50%到85%的范围内。

4.根据权利要求项2所述的引力涡流水轮机组件（1）中，水箱侧壁（50）最大半径（42）和最小半径（48）之间到中轴（22）的距离的轨迹遵循：

- 对数螺旋；

- 伯努利螺旋；

- 斐波那契螺旋；或者

- 阿基米德螺旋。

5.根据权利要求项1或2所述的引力涡流水轮机组件（1）中，侧壁（50）包含复数片段。

6.根据权利要求项2所述的引力涡流水轮机组件（1）中，底部（70）的中央出水口（80）的半径小于等于侧壁（50）的最小半径（48）；水轮机转子（120）附近的水轮机防护罩（110）的内径（112）范围在侧壁（50）的最大半径（42）的20%到45%之内。

7.根据权利要求项6所述的引力涡流水轮机组件（1）中，水轮机防护罩（110）的下游端包含扩散器（130，330），用来将水流（10）导向朝向中轴（22）径向反向分量的方向。

8.根据权利要求项7所述的引力涡流水轮机组件（1）中的扩散器（330）用来将水流（10）从最低处向上导流。

9.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中，水轮机（100）被置放于水平面以下的下游端。

10.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中包含所有转子叶片（124），数量为两到十片。

11.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中，上游端相对于中轴（22）的角度（126A）范围在0°到45°，下游端相对于中轴（22）的角度（128A）范围在45°到80°。

12.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）还包含：

-一个和水轮机配套或装在水轮机上的发电机；

-一套和发电机配套的控制单元，用来调控旋转速度和发电机负荷，与水轮机运行中的转子配合，

- 以达到最大功率点跟踪控制；并且/或者

- 以使水轮机叶片和漩涡水流两者相对的最大速率差不超过预定的最大值。

13.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中，

-水轮机转子的中央轮毂（122）的半径（113）大于预定的最小半径，最小半径符合以下：

- 水轮机转子（120）和/或水轮机防护罩（110）的半径（112）的一个百分比，在至少10%的范围内；

-强制的涡流区域的半径的一个百分比，在10%到65%的范围内；

-转子叶片（124）覆盖涡流（20）中轴（22）四周的环形区域，这一区域不超过涡流核心区域的25%；

-水轮机组件还包含一个出水口（220，320），位于水面之下，顺流/下游方向；

-水轮机防护罩（110）的半径小于中央出水口（80）的最大半径，水轮机防护罩（110）和中央出水口（80）之间的过渡应为弯曲连接；

-水轮机转子（120）包含和转子叶片（124）相配套的径向朝外的圆筒状护罩（127），水轮机转子（120）旋转时，护罩（127）和转子叶片（124）同轴旋转。

14.根据权利要求项2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中，

-侧壁（50）上入水口（210）的第二侧（64）包含一个可移动部分（67），可以调节入水口（210）的第二侧（64）和水轮机转子（120）的中轴之间的距离（48），以便调整水轮机转子（120）中轴和涡流（20）中轴（22）的吻合率，以提高两者的一致率；

-入水口（210）内或上游处没有放置中间导向叶片。

15.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中使用的水轮机转子（120）的生产方式包括以下步骤：

-基于水轮机组件（1）模拟涡流（20）；

-水轮机（100）附近涡流（20）的轴向、切向和径向分量的测定；

-根据涡流的轴向、切向和径向分量而自动生成转子叶片（124）的形状，从而产生转子叶片附近的最小边界分隔层；

-通过增材制造来生产特定形状的转子叶片（124）。

16.根据权利要求项1、2、6到8中的一项所述的引力涡流水轮机组件（1）中，

-水轮机转子的中央轮毂（122）的半径（113）大于预定的最小半径，最小半径符合以下：

- 水轮机转子（120）和/或水轮机防护罩（110）的半径（112）的一个百分比，在15%到50%的范围；

- 强制的涡流区域的半径的一个百分比，在15%到50%的范围内；

-转子叶片（124）覆盖涡流（20）中轴（22）四周的环形区域，这一区域不超过涡流核心区域的20%；

-水轮机组件还包含一个出水口（220，320），位于水面之下，顺流/下游方向；

-水轮机防护罩（110）的半径小于中央出水口（80）的最大半径，水轮机防护罩（110）和中央出水口（80）之间的过渡应为弯曲连接；

-水轮机转子（120）包含和转子叶片（124）相配套的径向朝外的圆筒状护罩（127），水轮机转子（120）旋转时，护罩（127）和转子叶片（124）同轴旋转。

17.根据权利要求项16所述的引力涡流水轮机组件（1）中，

- 水轮机转子（120）和/或水轮机防护罩（110）的半径（112）的一个百分比，在20%到30%的范围。

18.根据权利要求项13所述的引力涡流水轮机组件（1）中，所述过渡为圆锥形或双曲线形过渡到直端。

19.根据权利要求项15所述的引力涡流水轮机组件（1）中，所述增材制造为3D打印。

20.根据权利要求项16所述的引力涡流水轮机组件（1）中，所述过渡为圆锥形或双曲线形过渡到直端。

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